DE19600694A1

DE19600694A1 - Klimaregelungssystem

Info

Publication number: DE19600694A1
Application number: DE19600694A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nitsche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-01-11
Also published as: DE19600694C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimaregelungssystem, ins besondere ein Heizungsregelungssystem.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich beispielhaft auf ein Heizungssystem. Das System ist jedoch zur Regelung beliebiger Temperaturen verwendbar, beispielsweise zur Regelung der Kühl leistung einer Klimaanlage.

Aus dem Stand der Technik sind Zentralheizungen bekannt, bei de nen in einem Heizkessel auf eine Vorlauftemperatur erwärmtes Was ser über Leitungen in einzelne Heizkörper geleitet wird, in de nen das transportierte Wasser seine Wärme abgibt und mit einer niedrigeren Rücklauftemperatur zum Heizkessel zurückfließt. Typi scherweise ist jeder Raum eines Gebäudes mit einem oder mehreren Heizkörpern ausgestattet.

Es sind gleichfalls Heizungssysteme bekannt, bei denen jeder Raum ein individuelles, unabhängiges Heizungselement aufweist, zum Beispiel einen Ölofen.

Bei sämtlichen Heizungsarten stellt sich das Problem der Rege lung der Raumtemperatur.

Es sind Systeme bekannt, bei denen der Benutzer den Zufluß des wärmetransportierenden Mediums mittels eines Reglers direkt ein stellt. Hierzu zählen beispielsweise die Regelung des Zuflusses von warmem Wasser in einen Heizkörper mittels einer Stellschrau be, oder die Regelung des Zulaufes von Gas oder Öl in ein ent sprechendes Heizungselement. Insbesondere bei moderneren Zentral heizungssystemen finden Thermostatventile Verwendung, mit denen eine gewünschte Raumtemperatur dauerhaft eingestellt werden kann. Nach Über- bzw. Unterschreiten der eingestellten Raumtem peratur wird hierbei ein Regelungsmechanismus (Ventil) akti viert, der die Heizleistung entsprechend verringert oder erhöht. Beim dauerhaften Verlassen oder Betreten eines Raumes muß der Mechanismus bzw. das Ventil auf- bzw. abgedreht werden.

Als nachteilig bei diesen bekannten Heizungsregelungssystemen wird ihr großer Bedienungsaufwand angesehen.

So muß bei einer einfachen Regelung der Heizleistung mittels eines Stellmechanismus ständig auf- und abgeregelt werden, da dieses System nicht in der Lage ist, eine dauerhaft konstante Temperatur herzustellen.

Ein Thermostatventil kann zwar eine konstante Temperatur auf recht erhalten, muß jedoch bei Verlassen des Raumes von Hand her untergeregelt werden, wenn Heizenergie gespart werden soll. Die Erfahrung lehrt, daß dieses Herunterdrehen von Benutzern häufig vergessen wird. Wird nach Verlassen des Raumes die Heizung nicht abgedreht, führt dies zu nutzlosem Energieverbrauch, und selbst verständlich zu hohen Kosten.

In jüngster Zeit sind prozessorgesteuerte Heizungsregelungssyste me bekannt geworden, bei denen explizite Zeitvorgaben eines Benutzers eingegeben werden können. So kann der Benutzer die Tem peratur an einem peripheren Heizkörper (oder auch an einer zen tralen Heizungseinheit) zeitbezogen einstellen.

Aus der DE-40 09 774 ist ein Verfahren zur Eingabe von Programm daten in einen Heizungsregler für das Erstellen eines während der täglichen Nutzungsdauer einer Heizungsanlage veränderlichen Raumtemperaturprofils bekannt. Hierbei muß der Betreiber der Anlage während eines Tagesverlaufs zu festgelegten Zeitpunkten gewünschte Temperaturwerte an einem Einstellgerät eingeben, wobei der Heizungsregler anhand der eingestellten Werte ein Tagesbasisprofil erstellt. Dieses Tagesbasisprofil wird nach einer Lernphase von einigen Tagen festgeschrieben, wenn an einem der folgenden Tage etwa um dieselbe Zeit derselbe Temperaturwert erneut eingegeben (Bestätigung) oder durch einen anderen Tempera turwert ersetzt wird (Korrektur), oder wenn nach Ablauf einer bestimmten Zeit keine Bestätigung oder Korrektur erfolgte. Nach Abschluß der Lernphase eingegebene Werte werden nur dann zur Kor rektur des Tagesbasisprofils berücksichtigt, wenn dem Regler eine ausdrückliche Anweisung gegeben wird.

Bei diesem Verfahren wird als nachteilig empfunden, daß vom Benutzer bzw. Betreiber der Heizung eine hohe Aufmerksamkeit ver langt wird, da er zu verschiedenen, regelmäßigen Zeiten Tempe ratureingaben machen muß, nach welchen dann ein Temperaturprofil erstellt wird. Ein solches Verfahren ist ferner sehr unflexibel, da ein Umstellen des Systems wieder mit Programmieraufwand ver bunden ist. Erfahrungsgemäß wird in einem solchen Falle dann ein bereits gespeichertes Temperaturprofil, welches den aktuellen Anforderungen nicht mehr ganz entspricht, in Kauf genommen, um sich diesem Programmieraufwand zu entziehen.

Insbesondere in großen Bürogebäuden treten die oben beschriebe nen Nachteile offensichtlich zutage. Da durch Unachtsamkeit der Benutzer unnötige Heizkosten entstehen, wird hier vielfach ver sucht, feste Einstellungen einer Zentralheizung vorzusehen. Eine solche feste Einstellung geht jedoch nur sehr ungenügend auf die moderne Arbeitswelt (flexible Arbeitszeiten usw.) ein. Je nach Arbeitsbeginn des einzelnen Mitarbeiters wird in einem Zimmer zu früh, in einem anderen zu spät geheizt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Klimarege lungssystems, das in einfacher und effizienter Weise bedienbar ist, so daß die Aufmerksamkeit eines Benutzers möglichst wenig beansprucht wird, und wirksam Kosten gespart werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Klimaregelungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mit dem erfindungsgemäßen Klimaregelungssystem ist ein wesent lich sparsamerer Umgang mit Resourcen bzw. Energie und damit eine Kostenersparnis gewährleistet. Das Raumklima kann optimal auf die Bedürfnisse einer oder mehrerer Personen eingestellt wer den.

Ferner ist eine hohe Bedienerfreundlichkeit gewährleistet. Der Benutzer muß keine komplizierte Programmierung vornehmen. Ledig lich durch konkrete Benutzereingaben bzw. -anweisungen ist das System regelbar.

Je nach Ausführung des Systems sind verschiedene Benutzereinga ben vorgegeben:
Bei der einfachsten Ausführungsform sind lediglich die Anweisun gen "anwesend" bzw. "abwesend" vorgesehen. Entsprechend der ein gegebenen Anweisung regelt das System auf eine voreingestellte Temperatur.

Gemäß einer bevorzugten, in der Fig. 1 dargestellten Ausführungs form, sind "Wärmer"- und "Kälter"-Eingaben möglich. Diese Anwei sungen können zusammen mit den oben genannten "Anwesend"/"Abwe send"-Anweisungen vorgesehen sein, es ist jedoch auch ausrei chend, lediglich diese "Wärmer"- bzw. "Kälter"-Anweisungen zuzu lassen. Das System ist in der Lage, allein aufgrund dieser "Wär mer"- bzw. "Kälter"-Anweisungen sowohl eine Anwesenheitsprognose als auch eine Prognose bezüglich eines gewünschten Temperaturver laufs zu erstellen.

Das erfindungsgemäße Klimaregelungssystem ist sowohl bei Zentral heizungen, als auch bei Nicht-Zentralheizungen, wie etwa lokalen Wärmestrahlern usw., verwendbar. Bei einer Zentralheizung kann die erfindungsgemäße Regelung sowohl an der zentralen Regelungs einheit (zum Beispiel Heizkessel), sowie an individuellen Heiz körpern vorgenommen werden.

Das erfindungsgemäße Klimaregelungssystem ist in der Lage, indi viduelle Benutzergewohnheiten, wie zum Beispiel Küchenbenutzung nur zu Essenszeiten, Badbenutzung nur morgens und abends, Schlaf zimmerbenutzung nur während der Nacht zu berücksichtigen.

Als besonders vorteilhaft ist anzusehen, daß das erfindungsge mäße System ohne größeren Aufwand an herkömmlichen Heizungssyste men nachgerüstet werden kann.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Abwandlungen sind Gegen stand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Klimaregelungssystems, nämlich den Aufbau eines Heizungsregelungssystems,

Fig. 2a eine Anwesenheitsprognose für einen typischen Wochen tag,

Fig. 2b eine Anwesenheitsprognose für einen Feiertag,

Fig. 3 einen Wunschtemperaturverlauf und einen tatsächlichen Temperaturverlauf beim Vorsehen einer automatischen Her unterregelung der Temperatur.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Klimaregelungssystem am Bei spiel eines peripheren Heizkörpers einer Zentralheizung darge stellt.

Ein Heizungsventil K ist mittels eines Stellmotors L regelbar. Das erfindungsgemäße Klimaregelungssystem ist in der Umgebung des Heizungsventils K, beispielsweise direkt am Heizkörper, ange bracht.

Das System weist einen Single-Chip-Micro-Prozessor A auf. Dieser Mikroprozessor umfaßt einen (nicht dargestellten) ROM (Programm speicher). Mikroprozessor A ist mit einem Timer-Baustein B, einem RAM-Baustein C und AD-Wandlern E, F, G verbunden. Die AD-Wandler E, F, G empfangen jeweils Signale von einem Wärmer-/ Kälter-Schalter H, einem Temperaturfühler I und einem Schwell wertregler (S-Wert-Regler) J. Die von den AD-Wandlern E, F, G über die Leitungen 1.1, 1.2, 1.3 empfangenen Signale werden an den Mikroprozessor A über die Leitungen 2.1, 2.2, 2.3 weitergege ben. Ein verarbeitetes Signal wird über die Leitung 4.1 an einen DA-Wandler D gegeben. Das von diesem DA-Wandler D erzeugte Sig nal steuert den Stellmotor L, der den Öffnungszustand des Heizungsventils K regelt.

Eine Neueinstellung des Datums bzw. der Zeit ist über einen Schalter O möglich.

Optional können weitere Eingänge vorgesehen sein. Beispielhaft ist in der Fig. 1 ein Feuchtigkeitsfühler N dargestellt, der über eine Leitung 1.4 mit einem weiteren AD-Wandler M verbunden ist. Das von diesem AD-Wandler M erzeugte Signal wird über eine Leitung 2.4 an den Mikroprozessor A gegeben.

Als weitere Möglichkeit eines optionalen Meßfühlers sei bei spiel haft eine Außentemperatur-Meßvorrichtung erwähnt.

Das System steuert die Heizungstätigkeit mit Hilfe einer Progno se über die Anwesenheit eines Benutzers.

Es soll im folgenden zunächst beschrieben werden, in welcher Wei se das erfindungsgemäße Klimaregelungssystem eine Prognose über die Anwesenheit einer Person in dem zu heizenden Raum erstellt.

Der Zustand des Heizungssystems wird über die Zeit t (z. B. abso lute Zeit t bzw. Datum und Tageszeit) und alle Außeneingänge vollständig beschrieben. Die Zeit t wird hierbei vom Timer-Bau stein B zur Verfügung gestellt. Diese Zustandsparameter werden im folgenden "Grundzustand" genannt.

Der Benutzer gibt über den Schalter H dem System je nach Wunsch meist in unregelmäßigen Abständen, Anweisungen ein. Im Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind nur die Eingaben "wärmer" bzw. "kälter" möglich. Das System enthält hierdurch Informationen bezüglich der Eingabezeit und der gewünschten Temperaturrege lung.

In einer vereinfachten Ausführungsform ist es auch möglich, die Eingabe "Anwesenheit des Benutzers" bzw. "Abwesenheit des Benut zers" vorzusehen.

Es ist möglich, die somit eingegebene Zeit diskreten Zeitinter vallen zuzuordnen. Teilt man beispielsweise die 24 Stunden des Tages in 96 15 Minuten-Intervalle, wird eine eingegebene Zeit jeweils einem solchen 15 Minuten-Interval zugeordnet. Die Inter valle müssen nicht notwendigerweise gleiche Länge haben. Es ist beispielsweise möglich, in den frühen Morgenstunden auch Ein- bis Zwei-Stunden-Intervalle vorzusehen.

Weitere Parameter, die aus dem Grundzustand für die Prognose grundlage abgeleitet werden, sind zum Beispiel Tageszeit, Jahres zeit, Wochentag bzw. das Vorliegen eines Sonn- oder Feiertags.

Die abgeleiteten Parameter zusammen mit dem Grundzustand werden im folgenden als "abgeleiteter Zustand" bezeichnet.

Alternativ können die abgeleiteten Parameter als Koeffizienten von Fourier-Funktionen, trigonometrischen Funktionen, Polynomen oder Taylorreihen bestimmt werden. Dies erweist sich als vorteil haft, wenn ein periodisches Verhalten mit einer Periodendauer von z. B. einem Tag prognostiziert werden soll.

Das System speichert in RAM C die Benutzereingaben jeweils zusam men mit dem aktuellen Grundzustand, das heißt bezüglich der Benutzereingabe wird ein n-Tupel, bestehend aus der Benutzerein gabe und den Parametern Zeit und Temperatur angelegt. Eine solche "Gedächtniseinheit" bestehend aus Benutzeranweisung und Grundzustand wird im folgenden "Anweisung" genannt. Die gesam melten Anweisungen bilden das Gedächtnis des "lernenden" Heizungsregelungssystems und stellen die Basis für weitere Berechnungen dar.

Bei Überlauf des Gedächtnisses können die ältesten Anweisungen gelöscht bzw. überschrieben werden.

Auf der Basis aller gespeicherten Anweisungen wird die Prognose über die Anwesenheit des Benutzers gestellt. Diese Anwesenheits prognose wird mit jeder Benutzereingabe neu erstellt bzw. aktua lisiert. Sie erfolgt im Hintergrund, das heißt quasi parallel (Multitasking).

Der Mikroprozessor A berechnet nun auf der Grundlage der gespei cherten Anweisungen für das folgende Zeitintervall (z. B. 1-5 Std.), beispielsweise minutenweise diskretisiert, die Anwesen heitswahrscheinlichkeit eines Benutzers. Hierbei wird ein Wahr scheinlichkeitswert im Intervall von 0 bis 1 berechnet.

Es können ferner über eine allgemeine Anwesenheitsfunktion noch kontinuierliche Anwesenheitswahrscheinlichkeiten bestimmt wer den, welche aber wieder diskret abgetastet werden.

Die Intervall-Länge des Prognostizierintervalls sollte zumindest gleich lang wie die Zeitdauer sein, die die Heizung für das Hoch heizen auf eine maximale Temperatur im Mittel benötigt (Heizungs vorlaufdauer).

Ein bevorzugtes Verfahren zur Erstellung der Prognose ist die Regressionsanalyse. Dieses Verfahren ist aus dem Bereich der Sta tistik und Prognosetechnik wohl bekannt.

Alternativ zur Regressionsanalyse können auch Elemente der neu ronalen Netze, varianzreduzierende Verfahren oder ein Fuzzy- Logic-Verfahren verwendet werden.

Es ist in diesem Zusammenhang bezüglich der Kombination der Grundparameter (im allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, eine Linearkombination), lediglich wichtig, daß deren Gewichte so geschätzt werden, daß sie möglichst gut die Zielgröße (Anwe senheit des Benutzers) prognostizieren.

Die Regressionsanalyse ermittelt die Gewichte der Parameter des abgeleiteten Zustands, so daß diese gewichtet kombiniert den Schätzwert über die Anwesenheitswahrscheinlichkeit ergeben.

Dies soll anhand eines Beispiels im einzelnen erläutert werden:

Es soll im folgenden Beispiel über eine Woche die Anwesenheit in einem typischen Rechtsanwaltsbüro prognostiziert werden.

Es werden folgende Bezeichnungen eingeführt:
t: Zeitpunkt t auf einer unendlichen Zeitachse,
f(t): Anwesenheitsfunktion zum Zeitpunkt t, wobei f(t) = 0 anzeigt, daß der Benutzer zu einem Zeitpunkt t abwesend ist, und f(t) = 1 anzeigt, daß ein Benutzer zum Zeit punkt t anwesend ist,
R(t): aktuelle Raumtemperatur zum Zeitpunkt t einer Benutzer eingabe.

Der Grundzustand des Systems ist durch die Werte t und R(t) bestimmt.

Eine "Anweisung" ist definiert durch ein Tupel (t, R(t), f(t)). Das heißt, ein Anweisungstupel besteht aus der Zeit t, der Tempe ratur C und der Stellung des Schalters H (f(t) = 0 oder 1) zum Zeitpunkt t.

Für den Fall weiterer Meßfühlereingänge, z. B. des Luftfeuchtig keitsmessers N, wird das Anweisungstupel entsprechend erweitert. Im Falle eines zusätzlichen Luftfeuchtigkeitsmessers N würde es dann lauten: (t, R(t), f(t), N(t)).

Von einem gegebenen Grundzustand zum Zeitpunkt t wird nun der abgeleitete Zustand, bestehend aus einer Menge F₁(t) bis F_n(t) erzeugt.

Die Funktionen F₁ bis F_n können entweder diskret (Werktag Ja/ Nein, Feiertag Ja/Nein, usw.) oder stetig (Sinusfunktion, Cosi nusfunktion, usw.) sein.

Um einen wiederkehrenden Tagesverlauf prognostizieren zu können, bieten sich die Fourier-Basisfunktionen (sin x, cos x, sin 2x, cos 2x, . . .) an mit einer Transformation der Tageszeit von 0 : 00 Uhr bis 24 : 00 Uhr auf das Intervall 0 bis 2π. Sollen weite re Regelmäßigkeiten prognostiziert werden, etwa über eine Woche (Monat, Jahr), so wird das entsprechende Intervall auf (0-2π) abgebildet, also etwa Montag 0⁰⁰ auf 0 und Samstag 24⁰⁰ auf 2 π. Ansonsten bieten sich für eine weitergehende Prognose der Benutzeranwesenheit, die nicht allein durch die Tageszeit gege ben ist, wie etwa das Nutzen eines Raumes an Werktagen (Montag bis Freitag), sowie eingeschränkt am Samstag, nicht aber an Sonn- oder Feiertagen etc., bieten sich diskrete, vom Datum abge leitete Funktionen an (Feiertag Ja/Nein mit entsprechenden Funk tionswerten 1 bzw. 0), die mit den stetigen Funktionen überla gert werden.

Im vorliegenden Beispiel wird mit den folgenden abgeleiteten Funktionen prognostiziert, wobei mit t′ die Transformation des Tageszeitintervalls (0 : 00, 24 : 00) nach (0, 2π) definiert ist:

Werktag Ja/Nein (1, 0)
F₁(t)
Feiertag Ja/Nein (1, 0)	F₂(t)
Sin t′	F₃(t)
Cos t′	F₄(t)
Sin 2t′	F₅(t)
Cos 2t′	F₆(t)
. . . @	Sin 11t′	F₂₃(t)
Cos 11t′	F₂₄(t)
1	F₂₅(t) (Konstanter Wert)

Mit den abgeleiteten Funktionen F₁(t) bis F_n(t) und der Anwesen heitsfunktion f(t) wird das im folgenden beschriebene lineare Regressionsmodell nach der "Methode der kleinsten Quadrate" auf gebaut.

In Tabelle 1 sind die Tageszeiten, zu denen ein Benutzer dem System eine Anweisung eingibt, mit Kreuzen markiert. Die in Tabelle 1 dargestellten Anweisungen können halbstündig vom Benut zer über Schalter H eingegeben worden sein. Es ist aber eben falls möglich, daß der Benutzer nur jeweils zu Beginn und zum Ende seiner Anwesenheit den Schalter H jeweils mit "Wärmer/Käl ter" anweist, bzw. dem System mitteilt, daß er anwesend/abwesend ist. In einem solchen Falle wird der zwischen diesen beiden Zeit punkten liegende Zeitraum in einer frei wählbaren Weise, nicht notwendigerweise äquidistant, diskretisiert, und es wird zu jedem erzeugten diskreten Zeitpunkt t der zugehörige Zielfunk tionswert bzw. Anwesenheitswert f(t) dergestalt erzeugt, daß f(t) = 1, wenn t in der Anwesenheitsphase liegt, und anderen falls gleich Null ist.

Im konkreten Beispiel werden die späten Abend- und Nachtstunden (ab 20 Uhr) stündlich, und die übrigen Zeiträume halbstündig dis kretisiert (siehe Tabelle 1).

Bei n erzeugten Anweisungen (direkte Benutzeranweisungen bzw. vom System erzeugte "Zwischenanweisungen") ergibt sich eine Matrix F mit den Elementen F_i(t_j) mit i = 1, . . . n und j = 1, . . . m, d. h. eine Matrix mit m Zeilen und n Spalten.

Es ergibt sich der Zielvektor f mit den Elementen f(t_j) mit j = 1, . . . m. Es ergibt sich ferner der Vektor mit den Gewichten der einzelnen F_i, nämlich X mit den Elementen x_i (i = 1, . . . n).

Im vorliegenden Beispiel werden dem System die aus der Tabelle 1 ersichtlichen Anwesenheitszeitpunkte eingegeben, z. B. montags Anwesenheit von 8 : 30-11 : 30 Uhr sowie von 13 : 30-17 : 30 Uhr.

Auf der Grundlage dieser Daten werden nun die Gewichte x_i, i = 1, . . . n der Anwesenheitsprognosefunktion

P(t_j): = Σ x_i f_i(t_j) mit i = 1, . . . n und j = 1, . . . n

so bestimmt, daß die Zielfunktion bzw. Anwesenheitsfunktion f(t) durch P(t) möglichst gut vorhergesagt wird. Dies geschieht nach der Methode der kleinsten Quadrate (Gauss′sches Verfahren, auch lineare Regressionsanalyse genannt). Es ist hierfür das folgende lineare Gleichungssystem zu lösen:

F _* F^T _* X = f,

wobei mit F^T die Transponierte der Matrix F definiert ist. Es ergibt sich folgende Lösung:

X = (F _* F^T)^-1 _* f.

Im gewählten Beispiel ergeben sich als Lösung die in der ober sten Zeile der Tabelle 2a angegebenen Werte, also z. B. x₁ = 0,19, x₂ = -0,18 usw.

Der konkrete Prognosewert zum Zeitpunkt t ergibt sich dann als Ergebniswert der Prognosefunktion P(t) mit den berechneten x_i.

In den Fig. 2a und 2b sind die mit den berechneten Gewichten ermittelten Anwesenheitsprognosen für einen typischen Wochentag (Fig. 2a) bzw. einen Feiertag (Fig. 2b) dargestellt.

Die Prognosewerte sind in der Spalte "Prognose" in den jeweili gen Tabellen 2a bzw. 2b explizit angegeben.

Mit der Einführung eines Schwellwertes (S-Wert) kann nun bestimmt werden, wann eine Anwesenheit zu prognostizieren ist, d. h. für welche Zeiten zu heizen ist.

Wird etwa, wie im vorliegenden Beispiel (siehe Fig. 2a und 2b), ein Schwellwert von 0,5 angenommen, so wird für alle Zeitinter valle mit einer prognostizierten Anwesenheitswahrscheinlichkeit von größer 0,5 die Anwesenheit, und für alle Anwesenheitswahr scheinlichkeiten von kleiner gleich 0,5 die Abwesenheit angenom men.

Die ermittelten Anwesenheitswahrscheinlichkeiten sind im vorlie genden Beispiel kontinuierliche Werte zwischen 0 und 1, wobei ein Wert von 0 eine sichere Abwesenheit darstellt, während eine 1 eine sichere Anwesenheit bedeutet. Berechneten Werten, die kleiner als Null sind, wird ebenfalls eine sichere Abwesenheit zugeordnet.

In einem nachfolgenden Schritt werden die Anwesenheitsprognosen diskretisiert, d. h. entweder fest auf 0 oder fest auf 1 abgebil det. Ist der Wahrscheinlichkeitswert größer als der Schwellwert, wird diese Wahrscheinlichkeit auf 1 abgebildet, ist die Wahr scheinlichkeit kleiner oder gleich dem Schwellenwert, wird sie auf 0 abgebildet.

Über die Voreinstellung des Schwellwertes ist es möglich, die Heizungscharakteristik individuell, nämlich eher konservativ oder eher progressiv, zu regeln.

Die Einstellung eines niedrigen Schwellwertes bedeutet, daß bereits bei kleinen Anwesenheitswahrscheinlichkeiten, d. h. bei Verdacht auf Anwesenheit, geheizt wird, während ein hoher Schwel lwert einen Heizvorgang erst bei sehr sicher angenommener Anwe senheit in Gang setzt.

Ein hoch angesetzter Schwellwert spart zwar Geld, bringt aber insofern Unannehmlichkeiten mit sich, als unter Umständen der Benutzer auf eine ungeheizte Umgebung trifft.

Ein niedrig angesetzter Schwellwert bringt hingegen größere Bequemlichkeit, weil schon bei relativ niedriger Anwesenheits wahrscheinlichkeit die Heizung in Gang gesetzt wird. Die Einstel lung eines niedrigen Schwellwertes ist natürlich mit höheren Heizkosten verbunden. Der Schwellwertschalter ist auch als Ein-/ Aus-Schalter verwendbar. Wird der Schwellwert z. B. auf 0 einge stellt, wird bereits bei einer Anwesenheitswahrscheinlichkeit von 0, d. h. immer, geheizt.

In Fig. 2a erkennt man, daß die Anwesenheitswahrscheinlichkeit den Schwellwert, der hier beispielhaft auf 0,5 eingestellt ist, nur zu bestimmten Vormittags- bzw. Nachmittagszeiten übersteigt. An einem Feiertag bleibt die Anwesenheitswahrscheinlichkeit unterhalb des Schwellwertes, so daß die Heizung nicht hochregelt (Fig. 2b).

Die beschriebene Erstellung der Anwesenheitsprognose ist bereits mit einem System möglich, welches nur die Benutzereingabe "anwe send" bzw. "abwesend" zuläßt. Es ist bei einem solchen System beispielsweise möglich, daß bei prognostizierter Anwesenheit stets auf eine vorgegebene Temperatur geregelt wird. Diese vor eingestellte Temperatur kann entweder vom Benutzer, oder auch zentral für eine Gruppe von Heizungselementen eingestellt wer den.

Es ist gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge mäßen Heizungssystems jedoch auch möglich, auf der Grundlage der Anwesenheitsprognose eine Prognose über eine gewünschte Tempera tur zu erstellen. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß der Benut zer über den Schalter H sowohl "Wärmer"- als auch "Kälter"-Anga ben in das System eingeben kann. Hierbei wird analog zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel jede solche Eingabe zunächst als Anwesenheitseingabe interpretiert, und die oben beschriebene Rechnung durchgeführt.

Auf der Basis der Anwesenheitsprognose wird mit dem entsprechen den Vorlauf derart geheizt, daß zu den prognostizierten Anwesen heiten eine Temperatur erreicht wird, die durch eine Solltempera tur-Funktion (Wunschtemperatur) C(t) definiert ist.

C(t) wird analog zu P(t) ermittelt, wobei für die Berechnung von C(t) Werte c(t) herangezogen werden, die wie folgt erzeugt wer den:
Falls zu einem Zeitpunkt, an dem die Raumtemperatur R(t) größer gleich C(t) minus δ T (delta T) ist, eine "Wärmer"-Anweisung ein gegeben wird, wird der neue Wunschtemperaturwert c(t) bestimmt als C(t) + δ T. Falls eine "Kälter"-Anweisung erfolgt, gilt ana log c(t): = C(t) minus δ T. Hierbei ist δ T eine frei wählbare Temperaturdifferenz, mit der die bisherige Wunschtemperatur C(t) korrigiert wird.

Es ist möglich, C(t) werkseitig, z. B. mit konstanten 20°C, vor zugeben.

Falls die jeweiligen Bedingungen nicht erfüllt sind, werden keine neuen c(t) erzeugt.

Die Gewichte y_i, i = 1 . . . n der Wunschtemperatur-Prognosefunk tion

C(t_j): = Σ x_i c_i(t_j) mit i = 1 . . . n und j = 1 . . . m

sind derart zu bestimmen, daß die Zielfunktion c(t) durch C(t) möglichst gut vorhergesagt wird. Eine solche Prognosefunktion wird analog zur oben beschriebenen Anwesenheitsprognosefunktion vorteilhafterweise mittels der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt. Es ist hierfür das folgende lineare Gleichungssystem

F _* F^T _* Y = c

zu lösen, wobei mit F^T die Transponierte der Matrix F definiert ist. Es ergibt sich die folgende Lösung:

Y = (F _* F^T)^-1 _* f.

Ein konkretes Rechenbeispiel wird vorliegend nicht angegeben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine solche Rechnung sich vollständig analog zu der Prognose der Anwesenheitswahrschein lichkeiten gestaltet, wobei lediglich f(t) durch c(t) ersetzt und geschätzt wird.

In einer Anlaufphase kann das System zunächst bei angenommener Anwesenheit des Benutzers eine voreingestellte Wunschtemperatur einnehmen. Diese voreingestellte Wunschtemperatur kann entweder werkseitig oder durch den Benutzer bestimmt werden.

Für den Fall einer Benutzeranweisung "wärmer" oder "kälter" erge ben sich zwei Fälle:

1. Das System stellt fest, daß es die bisher gültige Wunschtem peratur bereits erreicht hat. Die Benutzereingabe bedeutet somit, daß die bisherige Wunschtemperatur entweder zu hoch oder zu niedrig ist.
In diesem Fall wird die Wunschtemperatur um einen Differenz betrag erhöht oder erniedrigt (beispielsweise zwischen 0,5 und 1°C), und zusammen mit dem Grundzustand (absolute Zeit und Außeneingänge) abgespeichert.
2. Im zweiten möglichen Fall stellt das System fest, daß es die bisher gültige Wunschtemperatur noch nicht erreicht hat. In diesem Falle kann aus einer Benutzeranweisung der Art "wär mer" nichts geschlossen werden. Hingegen kann hier aus einer Benutzeranweisung der Art "kälter" eine neue, niedrigere Wunschtemperatur zu diesem Zeitpunkt abgeleitet werden.

Insgesamt erzeugt das System also eine Anwesenheitsfunktion in Kombination mit einem Temperaturprofil. Wenn somit die Anwesen heitswahrscheinlichkeit des Benutzers den voreingestellten Schwellenwert bzw. Wahrscheinlichkeitswert überschritten hat, wird die Heizung auf einen entsprechenden Temperaturwert gere gelt, welcher anhand des gespeicherten Temperaturprofils progno stiziert wird.

Es ist zum Zwecke eines flexiblen Heizungsbetriebes bzw. eines schnellen Umlernens des Heizungssystems möglich, Benutzeranwei sungen entsprechend ihrer Aktualität zu gewichten. So können bei spielsweise die jüngsten Benutzereingaben stärker gewichtet wer den (exponentielle Gewichtung).

Für eine effektive Installation des Heizungsregelungssystems sind verschiedene Möglichkeiten vorteilhaft verwendbar:
Zunächst ist es möglich, das System bereits werkseitig mit einem Anwesenheitswahrscheinlichkeitsprofil sowie einem Temperaturpro fil zu versehen. Hierbei können Standardprofile verwendet wer den, es könnten jedoch auch auf individuelle Angaben von Benut zern oder Käufern des Systems ausgerichtete Profile werkseitig erstellt werden.

Es ist gleichfalls möglich, ein vollständig unprogrammiertes bzw. uninitialisiertes System zu installieren. Dies führt natür lich insbesondere in der Anlaufphase des Systems dazu, daß eine noch völlig ungenügende Prognosegrundlage vorhanden ist. Der Benutzer muß dann dazu veranlaßt werden, Eingaben zu machen, auf welchen dann ein verläßliches Prognosesystem aufgebaut werden kann.

Ist das System mit einem Anwesenheits-/Abwesenheitsschalter aus gerüstet und in der Lage, zwischen einer Anwesenheitsanweisung und einer Abwesenheitsanweisung (d. h. bei Anwesenheit des Benut zers) von sich aus in diskreten Zeitintervallen Anweisungen zu erzeugen, wird das Prognoseverfahren in relativ kurzer Zeit auf eine ausreichende statistische Basis gestellt.

Für den Fall aber, daß nur konkrete Eingaben des Benutzers dem System als Prognosegrundlage zur Verfügung stehen, wird, in einer Anfangsphase, im allgemeinen nach Installation der Heizung, jede Prognose über die Benutzeranwesenheit bzw. über die gewünschte Temperatur mit erheblichen Unsicherheiten bzw. Schwankungen behaftet sein.

Zu diesem Zweck wird der Benutzer, abhängig von der Anzahl der vorhandenen Anweisungen, derart gereizt bzw. angeregt, daß er sich genötigt sieht, dem System des öfteren Anweisungen zu geben.

Dies geschieht dadurch, daß das System von sich aus die Tempera tur herunterregelt, so daß der Benutzer des öfteren die "Wär mer"-Anweisungen geben muß, wodurch dem System natürlich impli zit die Anwesenheit des Benutzers mitgeteilt wird.

Auch für den Fall, daß ein System von mehreren Benutzern bedient wird, wie es etwa in Büros typischerweise auftreten wird, ist es sinnvoll, die Anwesenheits- bzw. Wunschtemperatur-Prognose auf eine solide statistische Basis zu stellen.

Im folgenden wird mit einem Heizintervall derjenige Zeitab schnitt von t₀ bis t₁ bezeichnet, der mit dem Sprung der Anwesen heitsprognose von "abwesend" auf "anwesend" startet, und mit dem entsprechenden Sprung von "anwesend" auf "abwesend" endet.

Mit t_i wird ein Zeitpunkt innerhalb eines solchen Intervalls bezeichnet (t₀ kleiner gleich t_i kleiner gleich t₁) d. h. t_i ist aus dem Bereich einer zusammenhängenden Zeitperiode, für die Anwesenheit prognostiziert ist. t₀ wird mit jeder neuen Benutzer eingabe zum Zeitpunkt t_aktuell neu auf den Zeitpunkt t_aktuell gesetzt. Das Intervall t₀ bis t₁ verkürzt sich entsprechend auf das Intervall t_aktuell bis t₁.

Zur Erläuterung der Temperaturherunterregelung wird die Reizfunk tion Z(t_i) eingeführt:

wobei p eine Funktion der Anzahl von Anweisungen dergestalt ist, daß sich Z(t_i) je Stunde z. B. um 2,4 Grad C für eine geringe Anzahl von Anweisungen, 1,0 Grad C für eine mittlere Anzahl von Anweisungen, 0,3 Grad C für eine große Anzahl von Anweisungen und 0,0 Grad C für eine sehr große Anzahl von Anweisungen erhöht.

Ist im System eine solche Reizfunktion vorgesehen, regelt das System effektiv nicht auf die berechnete Wunschtemperatur C(t), sondern um die um jeweils Z(t) erniedrigte Temperatur, d. h. auf C(t) - Z(t), wobei Z(t) jeweils wieder neu mit 0 dann startet, wenn entweder ein neues Anwesenheitsintervall beginnt, oder wenn der Benutzer eine Anweisung (wärmer oder kälter) gegeben hat.

Ein stark vereinfachter, aber im Prinzip typischer dynamischer Heizungsverlauf unter Berücksichtigung einer solchen Benutzerrei zung ist in Fig. 3 dargestellt. Es wird hierbei davon ausgegan gen, daß im System nur eine geringe Gesamtanzahl von Benutzeran weisungen gespeichert ist.

Gemäß Fig. 3 sind folgende Systemparameter festgelegt:
Da nur eine geringe Anzahl von gespeicherten Anweisungen vor liegt, regelt das System je Stunde die Wunschtemperatur C(t) um 2,4°C ab. C(t) beträgt zu Anfang 20°C. δ T ist auf 1°C fest gelegt. Das aktuelle Heizintervall reicht von 8 : 10 bis 13 : 10 Uhr.

Wie man ferner der Fig. 3 entnimmt, erfolgen Benutzereingaben des Typs "wärmer" zu den Zeitpunkten 8 : 50 Uhr, 9 : 30 Uhr, 9 : 50 Uhr, 10 : 50 Uhr, 11 : 30 Uhr und 12 : 40 Uhr.

Da in diesem Beispiel sehr stark heruntergeregelt wird, nämlich um 2,4°C/Stunde, ist der Benutzer zu häufigen Systemanweisungen genötigt.

In Fig. 3 zeigt die obere Linie die prognostizierte Wunschtempe ratur C(t), während die Sägezahnlinie den effektiven Temperatur verlauf darstellt. Die Benutzereingaben sind durch die Quadrate markiert.

Das System regelt für 8 : 10 Uhr die Temperatur von 15°C auf die prognostizierte Wunschtemperatur von 20°C hoch, und um 13 : 10 Uhr wieder auf die Temperatur 15°C zurück.

Wenn zum Zeitpunkt einer Anweisung die Temperatur um einen Wert größer gleich δ T abgefallen ist, wird im Falle einer Anweisung die prognostizierte Wunschtemperatur von 20°C wiederhergestellt.

Wenn allerdings, wie beispielhaft für den Zeitpunkt 9 : 50 Uhr in Fig. 3 dargestellt, die Temperatur noch nicht unter einen Wert C(t) - δ T abgeregelt ist, weil seit der letzten Anweisung nicht genügend Zeit vergangen ist, wird eine neue Prognose über die Wunschtemperatur erstellt, und die neu errechnete Wunschtempera tur mit 21°C berechnet. Dieser Vorgang ist im vorliegenden Beispiel stark vereinfacht dargestellt. Für eine konkrete Berech nung der neuen Wunschtemperatur ist natürlich wiederum eine Pro gnose nach der Methode der kleinsten Quadrate vorteilhaft anwend bar.

Wie aus Fig. 3 ferner hervorgeht, wird am Zeitpunkt 9 : 50 Uhr bei jeder Benutzeranweisung auf die neue Wunschtemperatur von 21°C hochgeregelt.

Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform wird die Temperatur im Falle einer Benutzereingabe nicht auf die Wunschtemperatur C(t) angehoben, sondern lediglich um einen Wert δ T erhöht. Bei einer solchen Ausführungsform müßte u. U., um die Heizung wieder auf die Wunschtemperatur hochzuregeln, mehr mals eine Anweisung eingegeben werden.

Eine solche automatische Herunterregelung der Heizung ist auch vorteilhaft bei der Einsparung von Heizkosten verwendbar.

Das erfindungsgemäße Klimaregelungs- bzw. Heizungsregelungs system ist, für sich genommen, vollständig in der Lage, eine effiziente und benutzerfreundliche Regelung durchzuführen.

Es ist jedoch selbstverständlich gleichfalls möglich, das erfin dungsgemäße Regelungssystem zusammen mit herkömmlichen Regelungs systemen zu verwenden, so daß unter Umständen wahlweise auf eines der Systeme zurückgegriffen werden kann. Steht z. B. fest, daß an bestimmten Tagen oder zu einer gewissen Zeit eine völlig unübliche Belegung bzw. Benutzung eines Raumes ansteht, kann das erfindungsgemäße Regelungssystem vorübergehend ausgeschaltet wer den.

Komponenten:
A: Single-Chip µProzessor inclusive ROM (Programm-Speicher)
B: Timer-Baustein
C: RAM Baustein
D: DA-Wandler
E, F, G: AD-Wandler
H: Wärmer/ Kälter -Schalter
I: Temperatur-Fühler
J: Kontinuierlicher" S-Wert Regler (von 0 bis 1)
K: Heizungsventil
L: Stell-(Schritt-)Motor, der K regelt

Optional:
M: Weitere AD-Wandler
N: Weitere Meßfühler/Sensoren, z. B. Feuchtigkeitsfühler
O: Schalter zur Eingabe von Datum und Zeit

Signalaustausch/Leitungen:
1.1: H gibt Schalterstellung an E
1.2: I gibt Schalterstellung an F
1.3: J gibt Schalterstellung an G
2.1-3: E, F, G geben Signale an A
3.1: A schreibt/ließt Werte in/aus C
3.2: A ließt Zeiten/Datum aus B, A startet B
4.1: A gibt Signal an D
5.1: D steuert L

Optional:
1.4: Weitere Sensoren geben Schalterstellung an weitere M
2.4: Weitere M geben Signale an A

Tabelle 1

Tabelle 2a

Tabelle 2b

Claims

1. Programmierbares Klimaregelungssystem für wenigstens einen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Prognoseverfahren die Anwesenheitswahrschein lichkeit und/oder die Wunschtemperatur wenigstens eines Benutzers prognostizierbar ist, wobei in Abhängigkeit von der ermittelten Anwesenheitswahrscheinlichkeit der Betriebszustand des Systems einstellbar ist.

2. Klimaregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prognoseverfahren Methoden der Regressionsanalyse verwendet.

3. Klimaregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prognoseverfahren Methoden der Fuzzy-Logic verwendet.

4. Klimaregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prognoseverfahren mit neuronalen Netzen arbeitet.

5. Klimaregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Prognoseverfahren varianzreduzierende Verfahren verwendet.

6. Klimaregelungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Anwesenheitswahr scheinlichkeit mit einem über einen Schwellwertregler ein stellbaren Schwellwert verglichen wird, wobei in Abhängig keit von einer Unterschreitung bzw. Überschreitung des Schwellwertes der Betriebszustand des Systems bestimmt wird.

7. Klimaregelungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Schwellwert zwischen 0 und 1 kontinuierlich ein stellbar ist.

8. Klimaregelungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels des Prognoseverfah rens ermittelte Anwesenheitswahrscheinlichkeit auf der Basis von Anweisungen erfolgt, die von einem Benutzer in das System eingebbar sind.

9. Klimaregelungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß vom Benutzer Anwesenheits- bzw. Abwesenheitsanwei sungen in das System eingebbar sind.

10. Klimaregelungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Anwesenheits- bzw. Abwesenheitsanweisungen über den Schwellwertregler eingebbar sind.

11. Klimaregelungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß "Wärmer"-Anweisungen bzw. "Käl ter"-Anweisungen in das System eingebbar sind, wodurch dem System sowohl Anwesenheitsanweisungen als auch Anweisungen bezüglich einer gewünschten Temperaturregelung zur Verfügung gestellt werden.

12. Klimaregelungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anweisungen über Tasten ein gebbar sind.

13. Klimaregelungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturprofil erstellbar ist.

14. Klimaregelungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß das Temperaturprofil anhand der Anweisungen erstell bar ist, die ein Benutzer in das System eingibt.

15. Klimaregelungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jüngere Benutzereingaben bei der Ermittlung der Anwesenheitswahrscheinlichkeit stärker gewich tbar sind.

16. Klimaregelungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es kontinuierlich bestrebt ist, den Energieverbrauch zu minimieren.

17. Klimaregelungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß es sich um ein Heizungsregelungssystem handelt, welches von sich aus bestrebt ist, die Raumtemperatur konti nuierlich herunterzuregeln.

18. Klimaregelungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß das Maß der Herunterregelung der Raumtemperatur abhängig von der Anzahl der gespeicherten Benutzeranweisun gen ist, wobei bei einer geringen Anzahl gespeicherter Anwei sungen eine stärkere und bei einer größeren Anzahl gespei cherten Anweisungen eine schwächere Herunterregelung vorgese hen ist.