DE69618637T2

DE69618637T2 - Thermostatsystem mit optimierter ansteigsrate der wiederzuerreichenden temperatur

Info

Publication number: DE69618637T2
Application number: DE69618637T
Authority: DE
Inventors: J. Shah
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: CA2217252A1; WO1996041246A1; DE69618637D1; AU6154496A; ES2168483T3; US5555927A; EP0830649A1; MX9709620A; EP0830649B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Eine relativ einfache Prozedur zum Sparen von Kosten beim Heizen oder Kühlen eines Raums besteht darin, die Sollwerttemperatur für den darin befindlichen Thermostat zu ändern, wenn sich niemand in dem Raum befindet, oder im Fall einer Wohnung, nachts, wenn die Bewohner schlafen. Da es jedoch physisch unmöglich ist, den geregelten Raum augenblicklich aufzuwärmen oder abzukühlen, um den Komfort für die Bewohner aufrechtzuerhalten, muß die Raumtemperaturregeleinheit (Ofen oder Klimaanlage) mit der Änderung der Raumtemperatur beginnen, bevor die Aufenthaltszeit wieder auftreten soll. Im folgenden wird die Tageszeit, zu der die Temperatur in einem Raum einen höheren Energiebenutzungswert (Komfortwert) erreichen soll, als eine Aufenthaltszeit bezeichnet, und die Temperatur, die für dieses Aufenthaltsintervall gewählt wird, wird als die Aufenthaltstemperatur bezeichnet. Man beachte, daß diese Definition auch die höhere Temperatur umfaßt, die in der Regel während einer Heizphase der Raumtemperaturregelung gewählt wird und einem nächtlichen Rückfallintervall folgt, obwohl sich streng genommen immer jemand in dem Raum aufgehalten hat. Das Zeitintervall, während dem die Raumtemperatur von einer Temperatur, die zur Aufrechterhaltung weniger Energie erfordert, wieder zu der Aufenthaltstemperatur zurückkehrt, wird als das Wiederherstellungsintervall bezeichnet, und die Tageszeit, zu der das Wiederherstellungsintervall beginnt, ist die Wiederherstellungs-Startzeit. Der Zeitpunkt, zu dem die Raumtemperatur die Aufenthaltstemperatur erreicht, ist die tatsächliche Wiederherstellungszeit. Da in der Regel ein Temperaturbereich auf der Aufenthaltstemperatur oder eigentlich jeder beliebigen anderen Sollwerttemperatur zentriert ist, wird in der folgenden Besprechung angenommen, daß die tatsächliche Wiederherstellungszeit erreicht wurde, wenn die Raumtemperatur zum ersten Mal in diesen Temperaturbereich eintritt.
Die Länge des Wiederherstellungsintervalls hängt aus zwei verschiedenen Gründen von der thermischen Last ab, der der Raum ausgesetzt ist. Zum Beispiel erfordert im Heizmodus eine niedrigere Umgebungstemperatur ein längeres Wiederherstellungsintervall, d. h., der Raum braucht länger, um sich bis auf die Aufenthaltstemperatur aufzuwärmen, da die thermische Last auf dem Raum hoch ist. Wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und die Rückfallzeitspanne lang, dann erreicht die Raumtemperatur die Rückfalltemperatur, wodurch sich die Wiederherstellungszeit weiter vergrößert. Andererseits kann eine höhere Umgebungstemperatur eine ausreichend reduzierte thermische Last bereitstellen, so daß der Raum seine Rückfalltemperatur nicht erreicht und daher die Differenz zwischen der Raumtemperatur zum Beginn des Wiederherstellungsintervalls und der Aufenthaltstemperatur klein ist und die Raumtemperatur auch schnell zunimmt, da der Ofen eine kleinere thermische Last überwinden muß. Die Analyse ist ähnlich für einen Klimaanlagen-Rückfall auf eine höhere Temperatur mit anschließendem Wiederherstellungsintervall auf die niedrigere Aufenthaltstemperatur. Die zu beschreibende Erfindung ist gleichermaßen auf Heizung und Kühlung anwendbar, der Einfachheit halber wendet sich die Beschreibung jedoch hauptsächlich an eine Heizsituation, und dies sollte, wenn nicht anders angegeben, angenommen werden.
Die Programmierung der Rückfall- und Wiederherstellungszeiten und -temperaturen erfolgt in der Regel an einem Thermostat, der sich physisch in dem geregelten Raum befindet. Die modernsten dieser Thermostaten enthalten einen kleinen Mikroprozessor und eine geeignete Anzeige und eine Steuertafel, durch die ein interner Zeitgeber eingestellt und die gewünschte Zeit und Temperatur für jede bestimmte Zeitspanne von der Verwaltungsperson des Raums eingegeben werden kann. Der zu beschreibende Thermostat wird durch den Betrieb eines Mikroprozessor- oder Digital-Prozessors gesteuert.
Es ist wünschenswert, jedes Wiederherstellungsintervall zu einem Zeitpunkt zu starten, bei dem die Raumtemperatur bei der Aufenthaltstemperatur sehr nahe bei der Aufenthaltszeit liegt. Worin liegt schließlich die Aufgabe, genau Rückfall- und Aufenthaltszeiten zu setzen, wenn die zugeordneten Aufenthaltstemperaturen nicht mit relativ großer Genauigkeit erzielt werden? Diese Genauigkeit kann jedoch nicht leicht erreicht werden, da es mehrere unabhängige Variablen gibt, die beim Entwurf eines kostengünstigen Thermostats nur schwierig berücksichtigt werden können. Zum Beispiel ist die Rate, mit der einzelne Heizeinheiten einen Raum heizen können, variabel. Wie bereits erwähnt, können die Außenlufttemperatur, Sonneneinstrahlung, interne Lasten und Wind drastisch von einem Tag zum nächsten schwanken, wodurch die Unsicherheit bezüglich der thermischen Last auf dem Raum, gegen die die Heizeinheit arbeiten muß, weiter vergrößert wird. Man kann Sensoren verwenden, die diese Schwankungen zu einem gewissen Grad messen können.
Dementsprechend wäre es vorteilhaft, einen Thermostat mit einem Wiederherstellungsverfahren zu entwerfen, das relativ empfindlich für Faktoren ist, die sich auf die Wiederherstellungszeit auswirken, und trotzdem keine kostspieligen Sensoren zur Messung dieser Faktoren erfordert. Ein Ansatz, der in der Vergangenheit verwendet wurde, bestand darin, die letzten Wiederherstellungszeiten aufzuzeichnen und die aktuelle Vorhersage der benötigten Wiederherstellungszeit auf den letzten Wiederherstellungszeiten zu basieren. Dieser Ansatz enthüllt eine Messung der Zeit für das Durchlaufen eines bestimmten Temperaturbereichs durch die Raumtemperatur, während die Raumtemperaturregeleinheit wirkt, um eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit zu bestimmen, und dann die Verwendung dieser Änderungsgeschwindigkeit mit einem Einstellungsfaktor, um die richtige Wiederherstellungsstartzeit zu bestimmen. Als Alternative zeigt ein anderer Ansatz einen Prozeß, bei dem die aktuelle Raumtemperatur periodisch gemessen wird, und wobei die Wiederherstellung gestartet wird, wenn sie eine Zeit-Temperatur-Linie überquert, die als die Wiederherstellungsrampenrate definiert ist und durch eine Gerade dargestellt wird. Die Hauptunzulänglichkeiten dieser Ansätze bestehen jedoch darin, daß sie nicht die variable Rate berücksichtigen, mit der ein Raum geheizt oder gekühlt werden kann. Außerdem umfassen diese Ansätze keinerlei Mittel zur Berücksichtigung der Außenlufttemperatur, der Sonneneinstrahlung, der internen Lasten und des Winds, die, wie bereits erwähnt, drastisch von einem Tag zum nächsten schwanken können. Indem solche Parameter, die sich tatsächlich auf die Wiederherstellungsrate auswirken, nicht berücksichtigt werden, wird die Unsicherheit bezüglich der thermischen Last des Raums weiter vergrößert.
Die US-Patentspezifikation Nr. 5270952 beschreibt einen Wiederherstellungsalgorithmus für einen Rückfallthermostat.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liefert ein Thermostatsystem gemäß dem folgenden Anspruch 1.
Außerdem liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 2.
Das Verfahren kann die Merkmale des abhängigen Anspruchs 3 enthalten.
Für die vorliegende Erfindung basieren die Gleichungen, die zur adaptiven Optimierung der Wiederherstellungsrampenrate und daher der Wiederherstellungsstartzeit als Funktion der aktuellen Raumtemperatur (CT), der aktuellen Außenlufttemperatur (OAT oder Toa zum Zeitpunkt t, wobei es sich um den aktuellen Zeitpunkt handelt), der Wiederherstellungsrampenrate aus der vorherigen Wiederherstellungszeitspanne (RR)&sub1; und der thermischen Zeitkonstanten τ&sub1; bzw. τ&sub2; für die vorherige und aktuelle Wiederherstellungszeitspanne verwendet werden, auf den folgenden Betrachtungen. Es folgt eine mathematische Ableitung der Optimierung der Temperaturwiederherstellungsrampenrate als Funktion der gemessenen Umgebungslufttemperatur, der gemessenen Raumtemperatur und der Rampenrate, die am vorherigen Tag für die ähnliche Wiederherstellungszeitspanne (vormittags oder nachmittags) berechnet wurde.
Ein Energiegleichgewicht eines thermischen Systems, wie zum Beispiel eines Wohngebäudes, führt zu der folgenden Gleichung für die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen Raumtemperatur:
oder
mit
mcp = Gesamt-Wärmekapazität des Raums,
TS = gemessene Raumtemperatur zum Zeitpunkt t,
UA = Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient des Systems und
Toa = Außen-Umgebungslufttemperatur zum Zeitpunkt t.
In Gleichung (2) ist das Verhältnis der Gesamt- Wärmekapazität des Raums mcp zu dem Gesamt- Wärmeleitkoeffizienten des Systems UA gewöhnlich als die thermische Gesamtzeitkonstante des Systems tS bekannt, die folgendermaßen ausgedrückt wird:
τS = mcp/UA (3)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) erhält man
Für Fachleute ist erkennbar, daß nach der Definition eines thermischen Systems sich seine thermische Zeitkonstante, die durch Gleichung (3) definiert wird, nicht jeden Tag und insbesondere zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tagen wesentlich ändert. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die thermischen und Wärmeleiteigenschaften jedes Materials mit seiner Temperatur schwanken könnten und die Zeitkonstante des thermischen Systems während der niedrigen kalten Temperaturen der Wintermonate möglicherweise von der während der höheren wärmeren Temperaturen der Sommermonate verschieden sein könnte. Spezifisch ist für Fachleute erkennbar, daß der Wärmeleitkoeffizient UA während der Wintermonate gegenüber den Sommermonaten verschieden sein wird, und daß er außerdem durch die Windgeschwindigkeit, Windrichtung und viele andere Faktoren beeinflußt wird.
In dem allgemeineren Fall kann man Gleichung (4) folgendermaßen verwenden, um τSN, die thermische Zeitkonstante des Systems am Tag N zu bestimmen:
wobei [Tg - Toa]N die mittlere Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen gemessenen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur während einer Zeitspanne ist, in der die Raumklimatisierungsanlage "AN" ist; und (dTS/dt)N die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen Raumtemperatur während dieser Zeitspanne ist.
Wenn Gleichung (5) an zwei beliebigen Tagen verwendet wird, liefert sie die thermischen Gesamtzeitkonstanten τS,1 und τS,2 für den ersten bzw. zweiten Tag. Dafür, die allgemeinere Besprechung, müssen die "zwei Tage" nicht aufeinanderfolgende Tage sein. Tatsächlich könnten es zwei beliebige Tage sein, wobei Tag 2 nach Tag 1 auftritt. Somit erhält man die Gleichungen
wobei die Indizes 1 und 2 Tag 1 bzw. Tag 2 bedeuten. Jede Differenz der Zeitkonstanten zwischen diesen beiden Tagen kann nun als Verhältnis der beiden thermischen Gesamtzeitkonstanten ausgedrückt werden:
τs,1/τs,2 = ξ
Durch Kombinieren der Gleichungen (6), (7) und (8) erhält man
oder
Die allgemeine Gleichung (10) liefert ein Verfahren zur adaptiven Optimierung der Temperaturwiederherstellungsrampenrate durch Berücksichtigung veränderlicher Umgebungslufttemperaturen zwischen zwei Tagen und auch durch Berücksichtigung etwaiger Differenzen der thermischen Gesamtzeitkonstante des Systems zwischen diesen beiden Tagen. Die beiden betrachteten Tage können aufeinanderfolgende Tage sein oder nicht. Wenn angenommen wird, daß sich die Gesamtzeitkonstante des Systems nicht zwischen den beiden betrachteten Tagen ändert, d. h. ξ = 1,0, darin kann Gleichung (10) in dem spezielleren Fall folgendermaßen geschrieben werden:
Man beachte, daß Gleichung (8) außerdem ermöglicht, die Integrität des thermischen Systems (in diesem Fall eines Wohngebäudes) zwischen zwei Zeitspannen zu überwachen. Somit kann Gleichung (8) für System- (d. h. Gebäude-)Diagnosezwecke verwendet werden. Jede Verschlechterung der thermischen Leistung des Systems wird in dem Wert von ξ wiedergegeben. Wenn sich zum Beispiel der Wärmewiderstand eines Gebäudes aufgrund von Feuchtigkeitskondensation in der Isolation des Gebäudes (z. B. in einer Wand, einer Decke usw.) verschlechtert hat, dann ändert sich der Wert von ξ, um diese Änderung der thermischen Integrität des Gebäudes wiederzugeben. Außerdem beeinflußt eine drastische Änderung von Umgebungsfaktoren, wie zum Beispiel der Windgeschwindigkeit und/oder der Außenlufttemperatur und/oder der Solarenergie, die auf die äußere und/oder innere Komponente bzw. die äußeren und/oder inneren Komponenten der Struktur einfällt, ebenfalls den Wert von ξ. Viele weitere Beispiele und Anwendungen wie diese können dokumentiert werden.
Ein Rückfallthermostat, der den Start der Wiederherstellung durch Verwendung einer angenommenen oder vorhergesagten Kühl- oder Heizrate während eines Wiederherstellungsintervalls von einer Energiespartemperatur einstellt, enthält einen Temperatursensor, der ein Signal liefert, das die aktuelle Raumtemperatur CT anzeigt, einen Temperatursensor, der ein Signal liefert, das die aktuelle Außenlufttemperatur (OAT) anzeigt, und einen programmierbaren digitalen Prozessor mit mehreren internen Operandenspeicherstellen. Mindestens eine dieser Operandenspeicherstellen enthält einen Aufenthaltszeitwert, bei dem es sich um eine Tageszeit und einen zugeordneten Aufenthaltstemperaturwert handelt, und einen weiteren, der einen Rampenratenwert enthält. Der Prozessor enthält außerdem Eingangskanäle, die die Temperatursensorsignale empfangen, und einen Ausgangskanal, der ein Betriebssignal liefert, um als Reaktion auf einen vorbestimmten internen Zustand des Prozessors den Betrieb einer Raumtemperaturregeleinheit (die eine Heiz- oder eine Kühlvorrichtung enthält) zu starten. Der Prozessor setzt periodisch die Temperatursensorsignale in digitale Werte der aktuellen Temperatur um und speichert die Werte der aktuellen Temperatur in internen Operandenspeicherstellen. Der Prozessor enthält ferner einen Zeitgeber, der eine interne Operandenspeicherstelle auf einem derzeitigen Zeitwert hält, der die derzeitige Tageszeit angibt. Der Prozessor enthält außerdem einen Befehlsspeicher, aus dem Befehle abgerufen werden können, die von dem Prozessor ausgeführt werden, und in dem eine Folge von Befehlen gespeichert ist, deren Ausführung mit einem Wiederherstellungsbefehl beginnt, und die bei der Ausführung beginnend mit dem Wiederherstellungsbefehl bewirkt, daß der Prozessor die folgenden Mittel umfaßt, die die Erfindung in dem Thermostat implementieren.
Temperaturdifferenzmittel rufen aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen die Raumtemperatur und die Umgebungslufttemperatur ab, erzeugen einen Temperaturdifferenzwert gleich der Differenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur und speichern den Temperaturdifferenzwert in einer Operandenspeicherstelle.
Mittel zur Abschätzung der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während eines "AN"- Zyklus der Anlage rufen aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen die Raumtemperaturwerte am Anfang und am Ende der "AN"-Zeitspanne der Anlage ab, berechnen die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturwerten und dividieren dann den Temperaturdifferenzwert mit der entsprechenden Dauer des Anlage-"AN"-Zyklus, um die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur zu erhalten, und speichern die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur in einer Operandenspeicherstelle.
Mittel zur Bestimmung der thermischen Zeitkonstante rufen aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen die Differenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur und die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur ab, dividieren den Temperaturdifferenzwert durch die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur, um die thermische Zeitkonstante zu erhalten, und speichern die thermische Zeitkonstante in einer Operandenspeicherstelle.
Mittel zur Bestimmung der Wiederherstellungsrampenrate für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne rufen aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen die Temperaturwiederherstellungsrampenrate für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne, die Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der aktuellen Wiederherstellungszeitspanne, die Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne, die thermische Zeitkonstante für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne und die thermische Zeitkonstante für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne ab, Mittel zur Berechnung des Verhältnisses der Temperaturdifferenzen als das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der aktuellen Wiederherstellungszeitspanne zu der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne, Mittel zur Berechnung des Verhältnisses von thermischen Zeitkonstanten als das Verhältnis der thermischen Zeitkonstante für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne zu der thermischen Zeitkonstante für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne und Mittel zur Berechnung des Produkts der Temperaturwiederherstellungsrampenrate für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne und des Verhältnisses von Temperaturdifferenzen und des Verhältnisses thermischer Zeitkonstanten und speichern das Produkt als die Wiederherstellungsrampenrate für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne und speichern die Wiederherstellungsrampenrate für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne in einer Operandenspeicherstelle.
Zeitdifferenzmittel rufen den nächsten Aufenthaltszeitwert und den derzeitigen Zeitwert aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen ab, erzeugen einen Zeitdifferenzwert gleich der Differenz zwischen der nächsten Aufenthaltszeit und der derzeitigen Zeit und speichern den Zeitdifferenzwert in einer Operandenspeicherstelle.
Rampen-Deltamittel rufen aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen den Zeitdifferenzwert und den Rampenratenwert ab, erzeugen einen Rampen-Deltawert gleich dem Produkt des Zeitdifferenzwerts und des Rampenratenwerts und speichern den Rampen-Deltawert in einer Operandenspeicherstelle.
Als letztes rufen Rampensollwertmittel den nächsten Aufenthaltstemperaturwert und den Rampen-Deltawert aus ihren jeweiligen Operandenspeicherstellen ab, bilden einen Rampensollwert gleich i) der Differenz zwischen dem nächsten Solltemperaturwert und dem Rampen- Deltawert und/oder ii) der Summe des nächsten Solltemperaturwerts und Rampen-Deltawerts und vergleichen den Rampensollwert mit dem aktuellen Temperaturwert. Der vorbestimmte interne Prozessorzustand umfaßt eine vorbestimmte Betragsbeziehung zwischen dem Rampensollwert und dem aktuellen Temperaturwert, und wenn der vorbestimmte interne Prozessorzustand besteht, gibt der Prozessor das Wiederherstellungssignal aus. Welcher der beiden Rampensollwerte verwendet wird, hängt davon ab, ob eine Heiz- oder Kühlwiederherstellung eingeplant ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt das Betreiben eines elektronischen Prozessors einer bestimmten Art. Dieser Prozessor kann in der Regel ein programmierbarer Mikroprozessor mit den durch die Befehle des Programms implementierten Verfahrensschritten sein. Es ist aber auch möglich, eine eigene integrierte Schaltung zu verwenden, bei der der Prozessor einzelne Schaltungselemente umfaßt, die die Schritte der Erfindung durchführen: Bei einem solchen prozessorimplementierten Verfahren zur Regelung des Rückfalltemperaturbetriebs eines Thermostats enthält der Prozessor einen Operandenspeicher und einen Ausgangskanal, der ein Betriebssignal zur Einleitung des Betriebs einer Raumtemperaturregeleinheit, wie zum Beispiel einer Klimaanlage oder eines Ofens, liefert.
Ein solches Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: a) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, jedes aktuellen Werts der Raumtemperatur und des aktuellen Werts der Außenlufttemperatur; b) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, mindestens einer Aufenthaltstemperatur und einer Aufenthaltszeit, die einem Rückfall-Temperaturintervall folgen; c) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, der gegenwärtigen Tageszeit; d) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, eines Rampenratenwerts; e) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, jedes der Werte der thermischen Zeitkonstante für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne, der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne und während einer Anlage-"AN"-Zeitspanne; f) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, der Differenzen zwischen der Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur; g) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während eines Anlage-"AN"-Zyklus; h) Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während jeder Wiederherstellungszeitspanne für den Tag; i) Berechnen eines aktualisierten Wiederherstellungsrampenratenwerts gleich dem Produkt der Temperaturwiederherstellungsrampenrate für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne und des Verhältnisses der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der aktuellen Wiederherstellungszeitspanne zu der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Umgebungslufttemperatur am Anfang der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne und des Verhältnisses der thermischen Zeitkonstante für die vorherige ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-)Wiederherstellungszeitspanne zu der thermischen Zeitkonstante für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne und Speichern des Produkts als die Wiederherstellungsrampenrate für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne in einer Operandenspeicherstelle; j) am Ende von Intervallen vorbestimmter Länge Berechnen eines Zeitdifferenzwerts gleich der Differenz zwischen der Aufenthaltszeit und der derzeitigen Zeit und Aufzeichnen des Zeitdifferenzwerts in dem Operandenspeicher; k) nachdem ein Zeitdifferenzwert aufgezeichnet wurde, Berechnen und Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, eines Rampen-Deltawerts gleich dem Produkt des letzten aufgezeichneten Zeitdifferenzwerts und des Rampenratenwerts; l) Berechnen und Aufzeichnen, in dem Operandenspeicher, eines Rampensollwerts gleich den Differenzen zwischen den Aufenthaltstemperaturwerten und dem Rampen-Deltawert und/oder der Summe des Aufenthaltstemperaturwerts und des Rampen-Deltawerts; und m) Vergleichen des Rampensollwerts mit dem aktuellen Temperaturwert, und wenn eine wählbare Beziehung zwischen dem Rampensollwert und dem aktuellen Temperaturwert besteht, Ausgeben eines Betriebssignals.
Außerdem wird ganz besonders bevorzugt, den Rampenratenwert wie in Verbindung mit der oben kurz beschriebenen Vorrichtungsversion der Erfindung erläutert, zu aktualisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Thermostats, der in einem Raum angebracht ist, um die Temperatur dieses Raums gemäß den Lehren der Erfindung zu regeln.
Fig. 2 und 3 sind Graphen von Wiederherstellungsrampenraten für wärmere bzw. kältere vorherige Tage im Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4A, 4B und 4C zeigen ein Flußdiagramm für eine Befehlsfolge eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung, die, bei Ausführung in dem entsprechenden Mikroprozessor in einem Thermostat, bewirken, daß der Mikroprozessor und der Thermostat die Erfindung realisieren.
Fig. 4D ist ein Flußdiagramm für eine Befehlsfolge, die anstelle von Fig. 4C verwendet werden soll und einen zweiten Aspekt der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen

In Fig. 1 ist ein vollständiges Raumtemperaturregelsystem gezeigt, das einen geregelten Raum 10 enthält, in dem ein in Blockschaltbildform gezeigter Thermostat 12 angebracht ist. Der Thermostat 12 regelt den Betrieb eines Ofens 28 und einer Klimaanlage 29, die zusammen eine Raumtemperaturregeleinheit 27 zur Bereitstellung erhitzter oder gekühlter Luft durch den Kanal 30 für den geregelten Raum 10 umfassen.
Der Betrieb des Thermostats 12 wird durch einen Mikroprozessor 13 gesteuert, der einen Befehlsprozessor 15 zum Ausführen von Befehlen enthält, die permanent als ein Programm in dem Befehlsspeicher 14 gespeichert sind und auf Anforderung von dem Prozessor 15 bereitgestellt werden. Die Ergebnisse der arithmetischen und logischen Operationen des Befehlsprozessors 15 werden in einem Operandenspeicher 16 gespeichert und dann je nach späterem Bedarf durch Ausführung der Befehle in dem Programm abgerufen. Die verschiedenen Arithmetikregister, die von dem Befehlsprozessor 15 verwendet werden, sind Teil des Operandenspeichers 16. Ein Zeitgebermodul 18 liefert Interrupts für die Ausführung von Befehlen durch den Prozessor 15 in vorbestimmten Intervallen, zum Beispiel jede Sekunde. Jeder Interrupt bewirkt die Ausführung von Befehlen, die den Inhalt einer Zeitgeberspeicherstelle in dem Operandenspeicher 16 erhöhen. Durch richtiges Einstellen eines Werts, der die derzeitige Tageszeit darstellt, in der Zeitgeberspeicherstelle ist in dem Mikroprozessor 13 kontinuierlich ein derzeitiger Tageszeitwert verfügbar. Dies kann durch richtiges Betätigen der Tastatur durch den Benutzer geschehen. Die derzeitige Uhrzeit ist dem Mikroprozessor 13 dauernd verfügbar, damit er Zeiten bestimmen kann, zu denen die Wiederherstellungsintervalle gestartet werden sollen. Der Mikroprozessor 13 enthält ferner eine Eingangs-/Ausgängseinheit (E/A- Einheit) 19, durch die der Mikroprozessor 13 durch Eingangs- und Ausgangskanäle der E/A-Einheit 19 mit (für den Mikroprozessor) externen Datenquellen und Zielelementen kommunizieren kann.
In dem Thermostat 12 umfassen diese externen Elemente einen Außenlufttemperatursensor 17, einen Raumtemperatursensor 23, eine Tastatur 22 und eine Anzeigeeinheit 21. Die Temperatursensoren 17 und 23 liefern auf Eingangskanälen Signale für die E/A-Einheit 19, die die aktuelle Temperatur der Außenluft bzw. die aktuelle Temperatur der Luft in dem geregelten Raum anzeigen. In regelmäßigen Intervallen führt der Befehlsprozessor 15 Befehle aus, die die Werte der aktuellen Temperatur von den Sensoren 17 und 23 in entsprechenden Speicherstellen des Operandenspeichers 16 speichern, wobei die Sensorsignale gegebenenfalls von analogen in digitale Daten umgesetzt werden.
Die Tastatur 22 liefert auf einem Eingangskanal Eingangsdaten an die E/A-Einheit 19 zur Auswahl von Aufenthaltstemperatursollwerten und -zeiten, die von den Bewohnern gewünscht werden, und zur Einstellung notwendiger Anfangszustände des Thermostats 12. Die Anzeigeeinheit 21 zeigt über einen Ausgangskanal empfangene Informationen über den Betrieb des Thermostats 12 an. Zu solchen Informationen gehört die derzeitige Tageszeit, der derzeitige Wochentag, die aktuelle Temperatur, die aktuelle Heiz- oder Kühlphase und über die Tastatur 22 eingegebene Informationen zur Einstellung der Rückfall- und Aufenthaltszeiten (OTI) und -temperaturen (OTE). Insbesondere ist an dieser Erfindung der Mikroprozessor 13 beteiligt, der die richtige Wiederherstellungsstartzeit (RST) wählt, zu der ein Betriebssignal auf dem Weg 20 ausgegeben wird, um die Wiederherstellung einer Aufenthaltstemperatur zu beginnen. Diese Wiederherstellungsstartzeit fällt immer in ein Rückfallintervall, in dem die Raumtemperatur auf einem relativ niedrigen Energiesparwert gehalten wird, der im Heizmodus niedriger und im Kühlmodus höher ist. Durch Starten der Rückkehr zu der Aufenthaltstemperatur während des Rückfallintervalls erreicht die Raumtemperatur die Aufenthaltstemperatur näher bei der angegebenen Aufenthaltszeit. Diese Wiederherstellungsstartzeit hängt sowohl von der Aufenthaltstemperatur als auch der Aufenthaltszeit (wie zum Beispiel vormittags oder nachmittags) ab. Deshalb bestehen Vorkehrungen, um ein Laden der gewünschten Aufenthaltszeiten und der zugeordneten Aufenthaltstemperatur für jede von der Tastatur 22 in Speicherstellen im Operandenspeicher 16 zu ermöglichen. Es kann angenommen werden, daß mindestens eine OTI und ihre zugeordnete OTE in dem Operandenspeicher 16 vorliegt.
Der Operandenspeicher 16 enthält außerdem in einer Speicherstelle einen Wert für eine Rampenrate (RR), der anfänglich auf einen Vorgabewert voreingestellt wird. Bei der ersten Ausführungsform ist dieser Vorgabewert 7,5º F/hr. Der Rampenratenwert ist die aktuelle geschätzte mittlere Rate, mit der die Einheit 27 die Raumtemperatur zu dem OTE-Wert zurückbringen kann. Man sagt "geschätzt", da die tatsächliche Rampenrate sehr nichtlinear und unvorhersehbar mit der Zeit und den Bedingungen schwankt. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die Rampenrate auf der Grundlage der vorherigen Leistung des Verfahrens bei der Auswahl der RST zu ändern und dadurch sowohl die zukünftige Genauigkeit bei der Auswahl der RST zu verbessern und das Verfahren zu ändern, wenn sich die Jahreszeit ändert. Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die Wiederherstellungsrampenrate als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen, wie zum Beispiel Außenlufttemperatur, Sonnen- und/oder interne Last, Windgeschwindigkeit und -richtung usw., die sich auf die thermische Last und die thermische Zeitkonstante des Raums und des Systems auswirken, adaptiv zu optimieren.
Die E/A-Einheit 19 gibt durch einen Ausgangskanal ein Betriebssignal auf den Weg 20 aus, das bei Vorliegen der Regeleinheit 27 anzeigt, daß eine Aktivität entweder des Ofens 28 oder der Klimaanlage 29 erforderlich ist. Welche dieser Einrichtungen aktiv sein soll, wird durch einen in Fig. 1 gezeigten Zweiebenenwechselschalter 25 gewählt, der sich in der Heizstellung befindet. Wenn man den Schalter 25 auf die alternative Stellung umlegt, wird der Weg 20 mit dem Weg verbunden, der das Betriebssignal zu der Klimaanlageneinheit 29 führt. Die zweite Ebene des Schalters 25 liefert auf dem Weg 24 ein Modussignal an die E/A-Einheit 19, durch das die gewünschte Betriebsart des Thermostats 12 zu dem Mikroprozessor 13 übermittelt werden kann. In dem vereinfachten Entwurf von Fig. 1 ist der Weg 24 im Heizmodus mit Masse verbunden und im Kühlmodus offen.
Die Ausführung des Programms in dem Befehlsspeicher 14 durch den Befehlsprozessor 15 steuert den Gesamtbetrieb des Thermostats 12. Es versteht sich, daß das in dem Speicher 14 enthaltene Programm insofern eine physische Form besitzt, als es bei seiner Aufzeichnung tatsächliche physische Merkmale in dem Speicher 14 bildet, die als Codierung des konkreten digitalen Formats des Programms erkannt und unterschieden werden können. Bei der Ausführung der Programmbefehle wird effektiv bewirkt, daß der Mikroprozessor 13 sequentiell zu einer Anzahl verschiedener Mittel wird, wobei jedes dieser Mittel während der Zeit existiert, in der die damit zusammenhängenden Befehle ausgeführt werden. Bestimmte dieser Mittel sind die Elemente der Erfindung. Außerdem kann die Erfindung als Prozeßschritte definiert werden, deren letztendliches Ziel die Steuerung des Betriebs der Regeleinheit 27 auf vorteilhaftere Weise ist. Von diesem Standpunkt aus gesehen sollen alle diese Prozeßschritte die physische Struktur des Mikroprozessors 13 oder einer anderen Einrichtung, in der diese Schritte implementiert werden, beeinflussen. Wem die Mikroprozessortechnologie vertraut ist, dem ist natürlich wohlbekannt, daß jeder der Verfahrensschritte, durch die ein Prozeß, wie zum Beispiel die vorliegende Erfindung, alternativ definiert werden kann, erkennbare physische Änderungen in dem Operandenspeicher 16 verursachen.
Das permanent in dem Befehlsspeicher 14 gespeicherte Programm kann als ein Flußdiagramm dargestellt werden, und die Fig. 4A, 4B und 4C sind der Teil dieses Flußdiagramms, der einen ersten Aspekt der Erfindung betrifft, und die Fig. 4A, 4B und 4D bilden den Teil des Flußdiagramms, der einen zweiten Aspekt Ausführungsform der Erfindung betrifft. Es wird angenommen, daß das Flußdiagramm einen Ausführungsteil enthält, durch den der Ablauf verschiedener Funktionen des Mikroprozessors 13 gesteuert wird. Die Befehle, die die Erfindung implementieren, werden bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in regelmäßig eingeplanten vorbestimmten Prüfintervallen von genauer gesagt 10 Minuten durch den Prozessor 15 ausgeführt. Als Hilfe ist unter den Figuren eine Legende aufgelistet, die die verschiedenen Abkürzungen der arithmetischen Werte identifiziert, die bei der Implementierung der Erfindung verwendet werden, um genaue RSTs zu erzielen. Der in den Fig. 4A, 4B, 4C und 4D gezeigte Teil des Flußdiagramms enthält einen einzelnen Schritt aus dieser Exekutivroutine, der als Entscheidungselement 31 gezeigt ist. Die Begriffe der Legende sind wobei OTI die Aufenthaltszeit ist, OTE die Aufenthaltstemperatur, PT die derzeitige Tageszeit, ART die tatsächliche Wiederherstellungszeit, CT die aktuelle Temperatur, TD die Zeitdifferenz, RD das Rampen- Delta, RSP der Rampensollwert, RRi die alte Rampenrate, RRi+1 die neue Rampenrate, m, n sind positive ganze Zahlen, To ist das Steuerbandoffset, RST ist die Wiederherstellungsstartzeit, TS,1 ist die gemessene Raumtemperatur am Ereignis eins, TS,2 ist die gemessene Raumtemperatur am Ereignis zwei, Toa ist die Außenlufttemperatur, (RR)&sub2; ist optimierte (revidierte/aktualisierte) Wiederherstellungsrampenrate für die derzeitige Vormittags- oder Nachmittags-Wiederherstellungszeitspanne und (RR)&sub1; ist tatsächliche oder geschätzte Wiederherstellungsrampenrate aus der vorherigen Vormittags- oder Nachmittags-Wiederherstellungszeitspanne, entsprechend der derzeitigen Vormittags- oder Nachmittags-Wiederherstellungszeitspanne (d. h. entsprechend (RR)&sub2;).
Es gibt ein weiteres Konzept, das vor der Erläuterung der Funktionsweise der Fig. 4A, 4B, 4C und 4D kurz besprochen werden sollte. Man kann die Zeit zwischen einer Rückfallzeit und der angegebenen OTI als zwei verschiedene Zeitspannen aufweisend betrachten. Es gibt die anfängliche Zeitspanne niedriger Energie, wenn die CT auf die Temperatur geregelt wird, die weniger Energie erfordert. Darauf folgt die Wiederherstellungszeitspanne, in der die Regeleinheit 27 den geregelten Raum wieder auf die OTI zurückbringt. Bei dem in Verbindung mit dem Flußdiagramm der Fig. 4A und 4B erläuterten Verfahren wird durch Befehle in dem Programm am Anfang der Wiederherstellungszeitspanne ein Wiederherstellungsflag gesetzt und gelöscht, wenn die Wiederherstellung abgeschlossen wurde. Es wird angenommen, daß das Wiederherstellungsflag am Anfang jeder Rückfallzeitspanne auf seinen gelöschten Zustand initialisiert wurde. Bei dem in Verbindung mit dem Flußdiagramm von Fig. 4A erläuterten Verfahren gibt es ein Prüfflag, das von Befehlen in dem Programm am Anfang eines Anlage-"AN"-Zyklus gesetzt und beim "AUS"- Schalten der Anlage gelöscht wird. Es wird angenommen, daß das Prüfflag am Anfang jeder Anlage-"AN"-Zeitspanne auf seinen gelöschten Zustand initialisiert wurde.
Fig. 2 zeigt die Raumtemperatur als Funktion der Zeit des Thermostats 12 der vorliegenden Erfindung im Heizmodus, wobei der derzeitige Tag kälter als der vorherige Tag ist. Der Temperaturwert 88 ist die Rückfallsolltemperatur. Die Linie 83 ist das Fallen der Temperatur mit der Zeit. Die Linie 85 ist das (dTS/dt)&sub2; aus Gleichung (10). Die Zeit 91 ist die Schrittänderung der Regelsolltemperatur von dem Rückfallwert zu dem Komfortwert. Die dunkle Linie 92 ist die Raumtemperatur, wenn man einen Ansatz im verwandten Stand der Technik verwendet, bei dem die Solltemperatur bei einem anstehenden kälteren Tag länger als notwendig aufrechterhalten wird. Die Linie 87 ist die erwartete Raumtemperaturwiederherstellungsrate wie im verwandten Stand der Technik. Die Linie 90 ist die programmierte Wechsel- oder Aufenthaltszeit. Die Linie 89 ist der Komfort-Sollwert bzw. die Aufenthaltstemperatur. Die Linie 86 ist die Rampenrate (dTS/dt)&sub1; wie im verwandten Stand der Technik auf der Grundlage der vorherigen Wiederherstellung, wenn keine Anpassung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt. Die Zeitdauer 93 ist eine späte Wiederherstellung bei Verwendung des verwandten Stands der Technik, wenn der vorherige Tag wärmer als der derzeitige Tag war. Die Zeitdauer 94 zeigt eine frühere Zeit, um die die Wiederherstellung früher eingeleitet wird, um die Komfort-Solltemperatur bis zum Zeitpunkt 90 zu erreichen, da die vorliegende Erfindung durch die Gleichung (10) einen kälteren Tag erwartet.
Fig. 3 zeigt die Raumtemperatur als Funktion der Zeit des Thermostats 12 der vorliegenden Erfindung im Heizmodus, wobei der derzeitige Tag wärmer als der vorherige Tag ist. Der Temperaturwert 88 ist die Rückfallsolltemperatur, und die Linie 89 zeigt den Komfortsollwert bzw. die Aufenthaltstemperatur an. Die Linie 83 zeigt den Abfall der Raumtemperatur, wenn die Anlage oder der Ofen ausgeschaltet ist. Die Linie 95 ist die Rampenrate (dTS/dt)&sub1; wie im verwandten Stand der Technik auf der Grundlage einer vorherigen Wiederherstellung, wenn keine Optimierung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt. Die Linie 90 ist die programmierte Wechsel- oder Aufenthaltszeit, zu der der Komforttemperaturwert erreicht werden soll. Die Linie 96 ist die Rampenrate (dTS/dt)&sub2; aus Gleichung (10) der vorliegenden Erfindung, wobei berücksichtigt wird, daß der derzeitige Tag wärmer als der vorherige Tag ist. Die Linie 97 ist die erwartete Raumtemperaturwiederherstellungsrate wie im verwandten Stand der Technik. Die Zeitspanne 98 ist die Dauer der frühen Wiederherstellung bei Verwendung des Ansatzes des verwandten Stands der Technik, wenn der vorherige Tag kälter als der derzeitige Tag war. Die Zeitspanne 99 ist die Dauer, um die die Wiederherstellung durch Verwendung der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf Gleichung (10) verzögert wird, wobei der derzeitige Tag wärmer als der vorherige Tag ist.
In Fig. 4A vergleicht der Entscheidungsblock 31 den aktuellen Anlagenstatus mit dem Status der Anlage während des letzten Durchlaufs. Wenn sich der Anlagenstatus geändert hat, dann wird der Entscheidungsblock 32 ausgeführt, um zu prüfen, ob der Anlagenstatus von "AUS" während des vorherigen Durchlaufs auf "AN" gewechselt hat. Wenn sich die Anlage gerade erst "AN" geschaltet hat, dann wird in dem Arithmetikelement 33 die Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur berechnet und in dem Operandenspeicher 16 gespeichert. Als nächstes speichert das Element 34 in Speicherstellen des Operandenspeichers 16 sowohl die aktuelle Raumtemperatur als auch die derzeitige Tageszeit. Das Element 35 setzt das Prüfflag, und die Programmflußsteuerung wird zu der Exekutive zurückgeführt. Wenn der Entscheidungsblock 31 anzeigt, daß sich der Anlagenstatus seit dem vorherigen Durchlauf nicht geändert hat (das heißt, der neue Anlagenstatus ist derselbe wie der alte Anlagenstatus), dann wird der Status des Prüfflag von dem Entscheidungsblock 36 geprüft. Wenn das Prüfflag gesetzt ist, dann wird die Programmflußsteuerung zur Exekutive zurückgeführt. Wenn das Prüfflag nicht gesetzt ist, dann wird die Programmflußsteuerung zum Entscheidungsblock 40 umgelenkt. Wenn die Antwort aus dem Entscheidungsblock 32 nein ist, dann speichert das Element 37 in Speicherstellen des Operandenspeichers 16 sowohl die aktuelle Raumtemperatur als auch die derzeitige Tageszeit. Das Arithmetikelement 38 "berechnet die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während des zuletzt abgeschlossenen Anlage-"AN"-Zyklus und speichert diese im Operandenspeicher 16 und berechnet außerdem die thermische Zeitkonstante des Systems während dieses selben "AN"-Zyklus und speichert sie in dem Operandenspeicher 16. Die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur wird durch eine Steigung einer geradlinigen Kurve der Temperatur als Funktion der Zeit dargestellt. Mathematisch handelt es sich um das Verhältnis der Differenz der Raumtemperatur am Anfang und am Ende der letzten Anlage-"AN"-Zeitspanne zu der Zeitdauer dieser "AN"-Zeitspanne. Die entsprechende Gleichung ist im Block 38 von Fig. 4A gezeigt. Das Element 38 berechnet außerdem die thermische Zeitkonstante des Systems als Verhältnis der Temperaturdifferenz aus dem Block 33 zu dem gerade berechneten Wert der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur. Danach wird im Element 39 das Prüfflag gelöscht.
Wenn das durch die Exekutive eingestellte aktuelle Prüfintervall noch nicht abgelaufen ist, dann wird die Steuerung vom Block 40 an die Exekutive zurückgegeben (siehe den mit NEIN bezeichneten Flußweg). Wenn das Prüfintervall vorüber ist, dann bewirkt die Ausführung der Befehle, die das Entscheidungselement 40 umfassen, daß die Befehlsausführung dem mit JA bezeichneten Weg zu einem zweiten Entscheidungselement 42 folgt, dessen Befehle die Bedingung des Wiederherstellungsflag prüfen. Wenn das Wiederherstellungsflag gesetzt ist, folgt die Befehlsausführung dem mit SET bezeichneten Zweig und beginnt die Befehlsfolge an der Verbindung B entweder in Fig. 4C der ersten Ausführungsform oder in Fig. 4D der zweiten Ausführungsform. Wenn das Wiederherstellungsflag nicht gesetzt ist, wird die Ausführung entlang des Zweigs NOT SET zu dem Arithmetikelement 44 fortgesetzt, das das Verfahren zur Bestimmung der RST beginnt. Die Befehle des Elements 44 berechnen zunächst die Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur (CT) und der Umgebungslufttemperatur (Toa) und speichern sie im Operandenspeicher 16. Das Element 44 berechnet dann die Wiederherstellungsrampenrate, die für die kommende Wiederherstellungszeitspanne (RR)&sub2; verwendet werden sollte, und speichert sie im Operandenspeicher 16. Die relevante Gleichung ist im Block 44 von Fig. 4A gezeigt. Die Zeitdifferenz TD = OTI - PT, wobei PT die derzeitige Zeit und OTI die Aufenthaltszeit ist, wird ebenfalls berechnet und in einer Speicherstelle des Operandenspeichers 16 gespeichert. Befehle des Elements 44 berechnen dann einen Rampendeltawert RD = TD · (RR)&sub2; und speichert RD in einer Speicherstelle des Operandenspeichers 16. Die durch das Entscheidungselement 46 dargestellten Befehle prüfen das Modussignal auf dem Weg 24 von Fig. 1, um zu bestimmen, ob sich der Thermostatbetrieb im Heiz- oder Kühlmodus befindet. Im Kühlmodus folgt die Befehlsausführung dem Weg des Verbinders A zu Fig. 4B. Im Heizmodus werden die Befehle des Arithmetikelements 50 ausgeführt, um den Rampensollwert RSP = OTE - RD zu bestimmen.
Danach werden die Befehle des Entscheidungselements 52 ausgeführt, um den folgenden Vergleich durchzuführen: gegenwärtige Raumtemperatur CT < RSP. Wenn wahr, werden die Befehle des Elements 54 ausgeführt, um zu bewirken, daß ein Betriebssignal auf den Weg 20 gelegt wird. Da der Modusschalter 25 den Weg 20 mit dem Ofen 28 verbindet, bewirkt das Betriebssignal, daß der Ofen 28 betrieben wird und beginnt, den geregelten Raum 10 zu erwärmen. Die Befehle des Elements 55 berechnen dann die Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur und speichern diese in dem Operandenspeicher 16. Sowohl die aktuelle Raumtemperatur als auch die derzeitige Tageszeit (d. h. die Wiederherstellungsstartzeit) werden durch die Befehle des Elements 56 in dem Operandenspeicher 16 gespeichert. Die Befehle des Elements 57 folgen dann, um das Wiederherstellungsflag zu setzen. Der Programmlogikfluß wird dann zu der Exekutive zurückgeführt.
Der Teil der Programmbefehle, der ausgeführt wird, wenn sich der Thermostat 12 im Kühlmodus befindet, um die Wiederherstellung zu beginnen, wird durch die Flußdiagrammelemente von Fig. 4B dargestellt, die mit dem Verbinder A beginnen. Wenn die Prüfung des Entscheidungselements 46 den Kühlmodus erkennt, dann werden als nächstes die Befehle des Elements 60 ausgeführt, um eine Berechnung durchzuführen, die der des Elements 50 gleicht, wobei aber im Fall des Elements 60 RSP = OTE + RD gilt. Das Entscheidungselement 62 gibt die Ausführung an die Exekutive zurück, wenn CT > RSP nicht wahr ist, und an den Befehl des Elements 64, wenn es wahr ist. Das von den Befehlen des Elements 64 erzeugte Betriebssignal wird durch den Schalter 25 zu der Klimaanlageneinheit 29 geführt, die beginnt, den geregelten Raum 10 zu kühlen. Das Arithmetikelement 65 berechnet die Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur und speichert sie in dem Operandenspeicher 16. Sowohl die aktuelle Raumtemperatur als auch die derzeitige Tageszeit (d. h. die Wiederherstellungsstartzeit) werden durch die Befehle des Blocks 66 in dem Operandenspeicher 16 gespeichert. Die Befehle des Elements 67 setzen das Wiederherstellungsflag und die Ausführung kehrt dann zu der Exekutivroutine zurück. Dadurch werden die mit dem Beginn der Wiederherstellung zusammenhängenden Befehlsausführungsaktivitäten abgeschlossen.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die Rampenrate (RR) zu aktualisieren, um eine ungenaue Auswahl der RST zu korrigieren und etwaige Änderungen der Wiederherstellungsrampenrate aufgrund von Änderungen der Außenlufttemperatur, interner und/oder Sonnenlasten, der Windgeschwindigkeit und -richtung usw. zu berücksichtigen. Nachdem das Wiederherstellungsflag durch die Befehle entweder des Elements 57 oder 67 und somit während der Wiederherstellung gesetzt wurde, übertragen die Befehle des Entscheidungselements 42 die Ausführung an die Befehle, die mit dem Entscheidungselement 70 beginnen. Als erstes wird die Betriebsart geprüft und die Ausführung wird entweder zu den Befehlen des Entscheidungselements 72 (Kühlbedingung) oder des Elements 78 (Heizen) verzweigt. Es sei bemerkt, daß während eines Abfalls der CT während der Rückkehr zu einer niedrigeren OTE von einer höheren Rückfalltemperatur während des Kühlens oder beim Anstieg der CT während einer Rückkehr zu einer höheren OTE von einer niedrigeren Rückfalltemperatur während des Heizens, der CT-Wert letztendlich eine Temperatur in der Nähe des OTE-Werts erreicht, bei dem die Wiederherstellung als abgeschlossen betrachtet wird. In der Heizsituation beträgt dieser Wert OTE - To, wobei To ein Offset eines Steuerbands (das einer Art von Hysterese ähneln könnte) von der OTE ist. An diesem Punkt wird die Temperaturregelung zu dem Temperaturregelverfahren zurückgeführt und wird auf die übliche Weise fortgesetzt. Ähnlich beträgt in der Kühlsituation dieser Wert OTE + To. Bei der ersten Ausführungsform ist To = 1,5ºF. Wenn die Prüfungen der Elemente 72 und 78 zeigen, daß die CT den Offset- Bereich erreicht hat (was ein einziges Mal für jedes Wiederherstellungsintervall stattfindet), wird die Rampenrate korrigiert, indem entweder die Befehle entweder des Elements 74 oder 80 von Fig. 4C im Fall der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, oder die Befehle entweder des Elements 75 oder 81 von Fig. 4D im Fall der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt das Element 80 (Fig. 4C) Befehle dar, die in der Heizsituation eine aktualisierte Rampenrate (RR)i berechnen und dann den Wert in der Speicherstelle in dem Operandenspeicher 16, in dem (RR)i gespeichert ist, durch den neuen Rampenratenwert ersetzen. Außerdem stellt bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Element 74 (Fig. 4C) Befehle dar, die in der Kühlsituation eine aktualisierte Rampenrate (RR)&sub1; berechnen und dann den Wert in der Speicherstelle des Operandenspeichers 16, in der (RR)i gespeichert ist, durch den neuen Rampenratenwert ersetzen. Man beachte, daß die Befehle für beide Elemente 74 und 80 in Fig. 4C identisch sind. Da die Befehle der Elemente 74 und 80 nach der Erfüllung der Bedingungen der Elemente 72 und 78 relativ schnell ausgeführt werden, ist der Faktor OTI - PT die Verfehlungszeit, ein Wert, der sehr nahe bei dem Fehler der jüngsten RST liegt:
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen stellt das Element 81 (in Fig. 4D) Befehle dar, die in der Heizsituation eine aktualisierte Rampenrate (RR)i + 1 = RRi + (OTI - PT)/2m berechnen und dann den Wert in der Speicherstelle in dem Operandenspeicher 16, in der (RR)i gespeichert ist, durch die neue Rampenrate RRi + 1 ersetzen. RRi ist der Rampenratenwert, der während der vorherigen Bestimmung der RST verwendet wurde. Da die Befehle des Elements 81, nachdem die Bedingung des Elements 78 erfüllt ist, relativ schnell ausgeführt werden, ist der Faktor OTI - PT die Verfehlungszeit, ein Wert, der sehr nahe bei dem Fehler der jüngsten RST liegt, und kann entweder positiv oder negativ sein. Der Ausdruck 2 m soll implizieren, das die Verfehlungszeit mit dem Inversen von zwei hoch einer positiven ganzzahligen Potenz multipliziert wird. Bei der ersten Ausführungsform ist m = 5, und 2&sup5; = 32 für die spezifische Situation, in der die Temperatur in Grad F gemessen wird und die Zeit für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens in 10-Minuten-Schritten gemessen wird. Der Wert des Multiplikators für die Verfehlungszeit hängt von der Wahl dieser Einheiten ab und sollte in der Heizsituation ungeachtet der beteiligten Einheiten so gewählt werden, daß die Rampenrate ausreichend korrigiert wird, damit die Verfehlungszeit etwa 10% bis 40% kleiner wird, wenn sich die Bedingungen für dieselbe Wiederherstellung am nächsten Tag nicht ändern. Ein Versuch, die Rampenräte mit einem zu großen Verfehlungszeitmultiplikator zu korrigieren, kann dazu führen, daß das Verfahren bei der Auswahl der RST unstabil wird. Man kann annehmen, daß ein Multiplikatorwert in dem ungefähren Bereich von 1/15 bis 1/60 für diese Einheiten geeignet ist, so daß ein m zwischen einschließlich 4 und 6 bevorzugt wird. Für eine Rampenrate mit Einheiten von Grad F/Minute und 1- Minute-Prüfintervalle ist die nächste Zweierpotenz, die m = 5 entspricht, m = 12, und es ist wahrscheinlich, daß sich auch m = 11 und m = 13 eignen. In der Situation, in der die Rampenrate Einheiten von Grad F/Stunde hat, ist m = 0, d. h., 2m = 1.
Im Fall der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Wahl des Verfehlungszeitmultiplikators als eine Zweierpotenz für in Thermostaten verwendete billige Mikroprozessoren zweckmäßig, da sie meistens nicht über einen arithmetischen Divisionsbefehl verfügen, so daß die Leichtigkeit des Dividierens oder Multiplizierens durch bzw. mit einer Zweierpotenz mit einer einfachen binären Registerverschiebung attraktiv wird. Es ist möglich, daß Verbesserungen der Leistung billiger Mikroprozessoren in nicht allzu langer Zeit echte Divisionsbefehle liefern werden, und es versteht sich, daß die Verwendung einer Zweierpotenz als Multiplikator der Verfehlungszeit bei der Aktualisierung der Rampenrate wirklich nur eine Zweckmäßigkeit für die zweite Ausführungsform ist.
Im Kühlfall für das Element 75 (Fig. 4D) für die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine ähnliche Berechnung wie bei dem Element 81 durchgeführt, durch die die Rampenrate (RR)i aktualisiert wird. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß der Multiplikator der Verfehlungszeit im allgemeinen im Kühlmodus kleiner ausgeführt werden sollte, so daß n zwischen einschließlich 6 und 8 ein geeigneter Bereich ist, wobei n = 7 und 1/2n = 1/128 der zur Zeit bevorzugte Wert ist. Hier wird aufgrund der wesentlich kleineren Steigung der Wiederherstellungsrate im Kühlmodus ein kleinerer Multiplikator bevorzugt.
Nachdem die Rampenrate aktualisiert wurde, wird im Element 82 die tatsächliche thermische Zeitkonstante T während der "fast abgeschlossenen Wiederherstellungszeitspanne" als das Verhältnis der Differenz zwischen der Raumtemperatur am Anfang der Wiederherstellung und der Umgebungslufttemperatur ebenfalls am Anfang der Wiederherstellung (entweder Element 55 von Fig. 4A für den Heizmodus oder Element 65 von Fig. 4B für den Kühlmodus) zu der Rampenrate (RR)i für die fast abgeschlossene Wiederherstellungszeitspanne (entweder von dem Element 74 von Fig. 4C (für Kühlen) oder dem Element 80 von Fig. 4C (für Heizen) für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, oder Element 75 von Fig. 4D (für Kühlen) oder Element 81 von Fig. 4D (für Heizen) für die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) berechnet. Außerdem wird die tatsächliche thermische Zeitkonstante (τ&sub1;) durch die Befehle des Elements 82 in dem Operandenspeicher 16 gespeichert. Nun ist die Wiederherstellungsprozedur abgeschlossen und das Wiederherstellungsflag wird durch die Befehle des Elements 84 gelöscht. Die Ausführung der Befehle des Elements 84 schließt die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ab und die Befehlsausführung kehrt zu den Befehlen zurück, die den Exekutivteil des Programms umfassen.

Claims

1. Thermostatsystem zur Regelung der Temperatur eines Raums mit einer aktuellen Raumtemperatur, die bis zu einer Aufenthaltszeit eine Aufenthaltstemperatur erreichen muß, wobei die Änderung der aktuellen Raumtemperatur durch eine Heiz- oder eine Kühlvorrichtung erzielt wird, wobei zu einer Wiederherstellungszeit vor der Aufenthaltszeit eine Wiederherstellungs-Startzeit stattfindet, die eine Zeitspanne ist, die erforderlich ist, damit die aktuelle Raumtemperatur die Aufenthaltstemperatur erreicht, wobei die Wiederherstellungszeit durch eine Wiederherstellungsrampenrate einer bestimmten Raumtemperaturänderung pro Zeiteinheit bestimmt wird, wobei das Thermostatsystem folgendes umfaßt:

einen ersten Temperatursensor zum Messen der aktuellen Raumtemperatur;

einen zweiten Temperatursensor zum Messen der aktuellen Außen-Umgebungstemperatur der Luft außerhalb, aber in der Nähe des Raums;

einen mit dem ersten und dem zweiten Temperatursensor verbundenen Prozessor mit einem Speicher, einem Befehlsprozessor und einem Zeitgeber;

eine Raumtemperaturänderungseinheit mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung; und

einen Heiz- und Kühlmodusselektor, der mit dem Prozessor und der Raumtemperaturänderungseinheit verbunden ist; und

wobei:

die Wiederherstellungs-Startzeit am Anfang einer Zeitspanne der Wiederherstellungszeit vor der Aufenthaltszeit liegt, in der die aktuelle Raumtemperatur ungefähr mit der Aufenthaltstemperatur übereinstimmen soll, wobei die Wiederherstellungszeit durch eine Wiederherstellungsrampenrate einer bestimmten Raumtemperaturänderung pro Zeiteinheit bestimmt wird; und

die Wiederherstellungsrampenrate (1) auf einer Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur und der aktuellen Außen-Umgebungstemperatur zur Wiederherstellungs-Startzeit, (2) auf einer thermischen Zeitkonstante für die Wiederherstellungszeit auf der Grundlage eines Verhältnisses der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Außentemperatur am Anfang der aktuellen Wiederherstellungszeitspanne zu der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur am Anfang der vorherigen ähnlichen Wiederherstellungszeitspanne, (3) auf einer thermischen Zeitkonstante für eine vorherige Zeitspanne einer Wiederherstellungszeit mit einer ähnlichen Tageszeit und (4) auf einer Wiederherstellungsrampenrate für die vorherige Zeitspanne der Wiederherstellung mit der ähnlichen Tageszeit basiert.

2. Verfahren zur Optimierung einer Temperaturwiederherstellungsrampenrate eines Thermostatsystems mit Sensoren für die aktuelle Raumtemperatur und die Außentemperatur, einem mit den Temperatursensoren verbundenen Prozessor zum Berechnen und Vergleichen von Informationen, zum Aufzeichnen und Abrufen von Informationen zu und von einem mit dem Prozessor verbundenen Operandenspeicher, zum Vermerken der Zeit von einem mit dem Prozessor verbundenen Zeitgeber und zum Ausgeben von Operationssignalen, wodurch das Thermostatsystem die Raumtemperatur eines Raums relativ zu einer festgelegten Aufenthaltstemperatur und Aufenthaltszeit regelt, mit den folgenden Schritten:

Aufzeichnen der Raumtemperaturen und Außentemperaturen in dem Operandenspeicher durch den Prozessor;

Einstellen und Aufzeichnen mindestens einer Aufenthaltstemperatur und einer Aufenthaltszeit, die einem Rückfall-Temperaturintervall folgt, in dem Operandenspeicher;

Aufzeichnen einer aktuellen Tageszeit in dem Operandenspeicher;

Berechnen und Aufzeichnen einer vorherigen Temperaturwiederherstellungsrampenrate in dem Operandenspeicher;

Berechnen und Aufzeichnen der thermischen Zeitkonstante einer aktuellen Wiederherstellungszeitspanne und der thermischen Zeitkonstante einer vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-) Wiederherstellungszeitspanne in dem Operandenspeicher während einer Anlagen-"Ein"-Zeitspanne, wobei eine Anlage die Raumtemperatur so ändert, daß sie sich einer Aufenthaltstemperatur nähert;

Berechnen und Aufzeichnen von Differenzen zwischen Raumtemperaturen und entsprechenden Außenlufttemperaturen in dem Operandenspeicher;

Berechnen und Aufzeichnen einer zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während der Anlagen-"Ein"-Zeitspanne in dem Operandenspeicher;

Berechnen und Aufzeichnen einer zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Raumtemperatur während jeder Wiederherstellungszeitspanne für den Tag in dem Operandenspeicher; und

Berechnen einer aktualisierten Wiederherstellungsrampenrate gleich dem Produkt (1) der Temperaturwiederherstellungsrampenrate, die am Ende der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-) Wiederherstellungszeitspanne bestimmt wurde, und (2) des Verhältnisses der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur am Anfang der aktuellen Wiederherstellungszeitspanne zu der Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur am Anfang der vorherigen ähnlichen (Vormittags- oder Nachmittags-) Wiederherstellungszeitspanne und (3) dem Verhältnis der thermischen Zeitkonstante für die vorherigen ähnliche (Vormittags- oder Nachmittags-) Wiederherstellungszeitspanne zu der thermischen Zeitkonstante für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne; und Speichern des Produkts als die Wiederherstellungsrampenrate für die aktuelle Wiederherstellungszeitspanne in einer Speicherstelle des Operandenspeichers;

wobei die Wiederherstellungs-Startzeit am Anfang einer Zeitspanne der Wiederherstellungszeit vor der Aufenthaltszeit liegt, in der die aktuelle Raumtemperatur ungefähr mit der Aufenthaltstemperatur übereinstimmen soll, wobei die Wiederherstellungszeit durch die Wiederherstellungsrampenrate einer bestimmten Raumtemperaturänderung pro Zeiteinheit bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem weiterhin am Ende von Intervallen vorbestimmter Länge eine Zeitdifferenz gleich der Differenz zwischen der Aufenthaltszeit und der aktuellen Zeit berechnet und die Zeitdifferenz im Operandenspeicher aufgezeichnet wird;

nachdem eine Zeitdifferenz aufgezeichnet wurde, ein Rampen-Delta gleich einem Produkt der letzten aufgezeichneten Zeitdifferenz und der Rampenrate berechnet und im Operandenspeicher aufgezeichnet wird;

ein Rampensollwert gleich den Differenzen zwischen der Aufenthaltstemperatur und dem Rampen-Delta und/oder der Summe der Aufenthaltstemperatur und dem Rampen-Delta berechnet und im Operandenspeicher aufgezeichnet wird; und

der Rampensollwert mit der Raumtemperatur verglichen wird, und wenn eine wählbare Beziehung zwischen dem Rampensollwert und der Raumtemperatur besteht, ein Operationssignal ausgegeben wird, um die Anlage "Ein" oder "Aus" zu schalten.