DE19738819A1 - Klima-Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klima-Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, das mehrere Räume umfaßt, die gegebenen­ falls zu Zonen zusammengefaßt sind, die individuell geregelt mittels Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparaten erwärmt, gekühlt und/oder belüftet werden können und mit Temperatur­ fühlern versehen sind, wobei über Stellglieder, die über eine Zentraleinheit programmiert ansteuerbar sind, die Klimatisierungsparameter durch Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate geregelt einhaltbar sind, sowie mit in den Räumen verteilten Personen-Detektoren, mit denen die An- und Abwesenheit von Personen feststellbar ist, wobei die Signale der Personen-Detektoren der Zentraleinheit zugeleitet werden und letztere aufgrund dieser Signale entsprechend der An- und Abwesenheit von Personen in bezug auf die Stellglieder zusätzlich beaufschlagbar ist.

Eine solche Klima-Anlage ist bekannt aus der US-Patent­ schrift 5 165 465. In der vorgenannten US-Patentschrift wird eine Klima-Anlage beschrieben, die als sogenanntes HVAC-System aufgebaut ist (heating, ventilating and aircon­ ditioning system). Eine Raum- und Zonenkontrolle besitzt eine Temperatursteuerung und verschiedene weitere Sensoren. Eine Steuereinheit überwacht die Anwensenheit von Personen in dem betreffenden Raum, bestimmt die Jahreszeit und setzt die Temperatur in einem leeren Raum zurück. Das System ist vor allen Dingen für Hotelräume gedacht, in denen sich Personen je nach Vermietung des Raumes aufhalten. Das System ist auch vorzugsweise mit einem Feuermelder gekoppelt.

Eine etwas andere Aufgabenstellung stellt sich bei der Klimatisierung von Büroräumen. Durch Einführung von Gleit­ zeit sowie durch Dienstreisen der Beschäftigten werden Büroräume zunehmend zu sehr unterschiedlichen Zeiten genutzt. Sie bleiben auch mehrere Tage unbenutzt. Es ist möglich, Schichten (z. B. Vormittags- oder Nachmittags­ schicht), Tage und Wochen in ein Zeitraster einzubringen, bei dem, wie an sich bekannt, je nach bekannter Anwesenheit und Wochentagsverteilung eine Grundsteuerung und -regelung von Heizkörpern erfolgen kann. Analoges gilt für Kühlungs- und Lüftungsapparate. So kann die Steuerung der Raum­ temperatur von Räumen, die mit Flächenheizkörpern ausge­ stattet sind, über Thermostatventile und eine zetral gesteuerte Nachtabsenkung durchgeführt werden.

Geht man davon aus, daß eine "normale" Tages-Raumtemperatur in einer "Zone", die aus mehreren Räumen besteht, oder in einzelnen Räumen nur dann benötigt wird, wenn die betrachte­ ten Räume belegt sind, so stellt sich die Aufgabe, an einem typischen, dem Verhalten von arbeitenden Personen angepaßten Schema hier eine Regelung zu finden, die nicht nur die einfache Anwesenheit von Personen mißt und als Steuerungs­ parameter benutzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klima-Anlage der ein­ gangs genannten Art, die in bezug auf die Abwesenheit von Personen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signale der Personen-Detektoren als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Raster korrelierbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltensmuster, das eine Abwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Arbeitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Küh­ lungs- und Lüftungsapparate entsprechend einer Klimati­ sierung bei Abwesenheit vornimmt. Umgekehrt ist bei zu erwartender Anwesenheit die Klima-Anlage dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signale der Personen-Detektoren als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Raster korrelierbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltensmuster, das eine Anwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Arbeitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate entsprechend der Klimatisierung bei Anwesenheit vornimmt.

So kann beispielsweise bei Abwesenheitssignalen an einem Montag davon ausgegangen werden, daß die betreffende Person an den verbleibenden Arbeitstagen der Woche ebenfalls nicht anwesend ist, so daß eine Verstellung der Heizungs-, Küh­ lungs- und Lüftungsapparate entsprechend einer Klimatisie­ rung bei Abwesenheit vorgenommen werden kann.

Sollte die Person entgegen dem anzunehmenden Verhaltens­ muster doch den Raum nutzen oder der Raum beispielsweise durch eine Aushilfskraft genutzt werden, so kann entweder durch manuelle Steuerung oder aber durch entsprechende Signale, die die Sensoren an die Zentraleinheit geben, die Heizung wieder eingeschaltet werden und eine Anwesenheit von Personen angenommen werden.

Um durch Anwesenheit von Reinigungspersonal die Zentral­ einheit nicht zu "täuschen", wird entweder ein UND-Gatter vorgeschaltet, das mit einer Zeitvorgabe gekoppelt ist, so daß Anwesenheitssignale nach einer bestimmten Uhrzeit überhaupt nicht registriert werden. Es kann aber auch eine Akkumulation der An- oder Abwesenheitssignale in einem integrierenden Register erfolgen, so daß mehrere kurzzeitige Anwesenheiten in dem Raum nicht gezählt werden.

Als Sensoren zur Registrierung von anwesenden Personen eignen sich in erster Linie Infrarot- oder Ultraschall- Sensoren, da diese Sensoren preiswert einzubauen sind und Meßcharakteristiken haben, die in üblichen Schaltkreisen leicht zu verarbeiten sind.

Die zu regelnde Temperatur in den einzelnen Räumen ist damit dynamisch von der Belegung der Räume abhängig. Die Steuerung von Heizkörpern und anderen Klimatisierungsapparaten ist gegenüber einem rein zeitgesteuerten System wesentlich vor­ teilhafter einzuhalten, so daß es zu bedeutenden Einsparun­ gen kommt.

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

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

Fig. 2 ein Abfragschema einer Steuerung gemäß Erfindung.

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

Weiterhin ist der Raum bestückt mit einem marktüblichen Ultraschall-Sensor 5, 5', der als Personen-Detektor dient. Weiterhin ist ein Thermostat 6, 6' vorhanden, der die Temperatur abfühlt und entsprechend einer Soll-Temperatur einen Heizkörper 8, 8' über ein Ventil 7, 7' steuert. Der Thermostat 6, 6' ist sowohl mit einem Temperatursensor als auch mit einer Temperatur-Sollvorgabe ausgestattet, ent­ sprechend der Temperatur-Sollvorgabe, die von einem Zentral­ rechner (PC) 10 vorgegeben ist. Jede Zone bzw. jeder Raum enthält eine individuelle, eindeutige Adresse zwecks Steuerung und Erkennung der Sensordaten durch den Rechner 10.

Die Raumtemperatur wird eingestellt nach dem Bedürfnis der betreffenden Person 4. Ist keine Person anwesend, so stellt dies der Sensor 5' im Raum 2 fest. Gleichzeitig ist ein Tagesraster 11, 11' für jeden Raum vorgegeben.

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

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

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

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

Anhand der Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die

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

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

Claims (5)

1. Klima-Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, das mehrere Räume (1, 2) umfaßt, die gegebenenfalls zu Zonen zusammengefaßt sind, die individuell geregelt mittels Hei­ zungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparaten erwärmt, gekühlt und/oder belüftet werden können und mit Temperaturfühlern versehen sind, wobei über Stellglieder, die über eine Zen­ traleinheit programmiert ansteuerbar sind, die Klimatisie­ rungsparameter durch Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate geregelt einhaltbar sind, sowie mit in den Räumen verteilten Personen-Detektoren (5, 5'), mit denen die An- und Abwesenheit von Personen (4) feststellbar ist, wobei die Signale der Personen-Detektoren der Zentraleinheit zugeleitet werden und letztere aufgrund dieser Signale ent­ sprechend der An- und Abwesenheit von Personen in Bezug auf die Stellglieder zusätzlich beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Personen-Detektoren (5, 5') als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Raster korrelierbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltensmuster, das eine Abwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Arbeitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate (8, 8') entspre­ chend einer Klimatisierung bei Abwesenheit vornimmt.

2. Klima-Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, das mehrere Räume (1, 2) umfaßt, die gegebenenfalls zu Zonen zusammengefaßt sind, die individuell geregelt mittels Hei­ zungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparaten erwärmt, gekühlt und/oder belüftet werden können und mit Temperaturfühlern versehen sind, wobei über Stellglieder, die über eine Zen­ traleinheit programmiert ansteuerbar sind, die Klimatisie­ rungsparameter durch Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate geregelt einhaltbar sind, sowie mit in den Räumen verteilten Personen-Detektoren (5, 5'), mit denen die An- und Abwesenheit von Personen feststellbar ist, wobei die Signale der Personen-Detektoren der Zentraleinheit zuge­ leitet werden und letztere aufgrund dieser Signale entspre­ chend der An- und Abwesenheit von Personen in Bezug auf die Stellglieder zusätzlich beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Personen-Detektoren (5, 5') als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Raster korrelierbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltensmuster, das eine Anwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Arbeitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate entsprechend der Klimatisierung bei Anwesenheit vornimmt.

3. Klima-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Abwesenheitssignalen an einem Montag bzw. Beginn eines Arbeits-Zyklus an den verbleibenden Arbeitsta­ gen der Woche eine Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate entsprechend einer Klimatisierung bei Abwe­ senheit vornehmbar ist.

4. Klima-Anlage nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Akkumulation der An- oder Abwesen­ heitssignale in einem integrierenden Register erfolgt.

5. Klima-Anlage nach wenigstens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zur Registrierung von anwesenden Personen Infrarot-oder Ultra­ schall-Sensoren sind.