WO2007006422A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des energieeintrags in einen raum durch eine strahlungsquelle - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des energieeintrags in einen raum durch eine strahlungsquelle Download PDF

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WO2007006422A1
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window
radiation
energy input
sensor
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Knut Hoyer
Martin Donath
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Testo SE and Co KGaA
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    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the energy input into a room by a radiation source.
  • the temperature in the room to be heated or cooled is ideally determined and the thermostat of the system is regulated accordingly.
  • a disadvantage of the known systems is that the control is usually based solely on the determination of the room temperature and foreign energy that is registered in rooms, can not directly consider or capture.
  • the heating, ventilation or air conditioning is not optimally controlled because, for example, a room in which additional external energy is entered, less heating must be used as a room in which no external energy is entered. If the external energy is considered only indirectly, thus more heating power is provided than is needed, which can reduce the efficiency of the heater.
  • the external energy which is registered for example by sunlight through the windows of a room (eg, rooms, buildings or vehicles) in a room, to order a heating, ventilation or air conditioning or the like for a New installation or replacement can be optimally dimensioned or optimally regulated during operation.
  • the object is achieved by a device for determining the energy input according to claim 1 and a method for determining the energy input according to claim 13.
  • the inventive method for determining the energy input into a room has the following steps. Initially, at least one room outside (eg wise building, room or vehicle outside), which has at least one window, at least one radiation sensor attached. In order to determine the energy input, it is preferable to consider only the outside of the room, at which solar radiation can also occur to a decisive extent. If, for example, outer sides of buildings are constantly shadowed by neighboring buildings, these outer spaces, even if they have windows, do not necessarily have to be provided with a radiation sensor, since no appreciable energy input takes place.
  • At least one radiation sensor is arranged on the corresponding outer space sides, or a radiation sensor package consisting essentially of a cuboid on which radiation sensors are arranged on each surface except the bottom surface and, if necessary, surfaces for which no relevant irradiation is expected , arranged on an unshaded place, for example on the top of the room.
  • the incident radiation is determined over time.
  • the window area on the associated side of the room is determined.
  • the energy input then results from the radiation detected by the radiation sensors over time and the associated window area per room or building. If the solar radiation is determined in W / m 2 and the window area in m 2 , the energy input as the integral of the value determined for the solar irradiation over the time multiplied by the value of the window area, for example in the unit kWh / m 2 .
  • the determination of the energy input into a room allows the To determine the energy balance of the room and the energy difference that must be additionally applied by a heater or air conditioning in order to achieve or maintain a predetermined room temperature to determine.
  • the input of external energy is generally essentially determined by the solar radiation incident through the window.
  • the external energy input to be considered can be determined by determining the energy input which results from the irradiation, in particular the solar radiation, over time on the different sides of the room and the window area lying on these sides.
  • the method according to the invention can optimize the degree of utilization of a heating or an air conditioning system in the following way. For example, since a room in which the sun is shining through a window is already heated by the sunlight, less power or work of the heating is required to heat the room to the predetermined final temperature. By taking into account the external energy input only the differential energy is requested by the heater, so that lower losses occur, whereby the degree of utilization of the heating is improved. Furthermore, the knowledge of foreign energy inputs into a room over time (any cycle over seconds, hours, days, weeks) allows a correspondingly optimized technical and energetic room management, for example, for a building, a vehicle or a ship.
  • an extrapolation for predicting the energy for the object cooling or heating or reduction of control fluctuations can take place in advance.
  • the determined with the device according to the invention data on the extraneous heat input, which are determined for example over a day or a week to be used for optimal configuration of the system to the system not to be larger than necessary and thus save investment and energy costs.
  • an additional contribution to the energy input caused by convection is calculated from the difference temperature determined from the internal temperature of the pane of the window and the internal temperature of the room, which is integrated over time, and the window area.
  • At least one data acquisition device is provided for detecting the determined irradiation.
  • At least one evaluation unit for determining the energy input is provided from the radiation power determined with the radiation sensors, which is integrated over time, and the window area.
  • further characteristic data of the room preferably the volume and / or storage masses and / or building material characteristics and / or U-values, are recorded, since these likewise have effects on the energy input and should therefore be taken into account.
  • the energy inputs caused by heating and / or ventilation and / or air conditioning systems already installed in the room are recorded over time as characteristic data of the room.
  • the method according to the invention for determining the energy input into a room is used to determine the dynamic heating or cooling process of a room, wherein in addition to the determined radiation energy input further meteorological data over time can be detected.
  • the use of the present method for determining the dynamic heating or cooling processes lends itself to determining the influence of the solar radiation in order to obtain the new heating, ventilation and cooling systems. optimal configuration of ventilation or air conditioning systems.
  • the heating or cooling process of a room takes place in particular depending on meteorological data such as position of the sun, direction and shading effects and thus the course of solar radiation on the outer surface of the room, outside temperature, inside temperature, surface temperature, humidity, wind speed , Air exchange data, the maximum and / or minimum outside temperature determined during the last years, for example the last four years, the maximum and / or minimum solar radiation detected during the last years, for example the last four years, and others meteorological data and preferred other characteristic sizes of the room itself such as Storage factors of the materials used, U-values for walls and roofs, room types and / or other heating, ventilation and / or air conditioning systems that already supply energy into the room. Therefore, some of these data are preferably taken into account and, for example, detected by corresponding sensors on the inside and / or outside of the room over time in order to be able to determine from these the cooling or heating process as a function of time.
  • meteorological data such as position of the sun, direction and shading effects and thus the course of solar radiation on the outer surface of the room, outside
  • the energy input and the further meteorological data and / or the other characteristic Data collected over a period of 24 hours or a period of several 24-hour cycles to determine the dynamic heating or cooling process as a function of the course of the day and optimally dimension the heating, ventilation and / or air conditioning systems or to be able to configure.
  • the device according to the invention for carrying out the method according to the invention comprises at least one radiation sensor in the direction of at least one outer space side with at least one window and at least one evaluation unit, which can be connected to the solar sensors.
  • the radiation sensors detect the radiation, in particular the solar radiation, over time.
  • the evaluation unit determines the respective energy input through each window by integrating the radiation power over time.
  • the evaluation can be carried out directly after recording a single measured value of the radiation sensors or after recording a series of measured values of the radiation sensors.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention additionally has a data acquisition device.
  • the data acquisition device detects the data supplied by the radiation sensors and records them over time.
  • the values for the irradiation ascertained in certain periods of time can thus be detected and stored either in the data acquisition device or in associated storage and / or evaluation units and if necessary also directly evaluated.
  • the energy inputs during certain time periods can be taken into account by the control of the heating or of the air conditioning system.
  • the energy entries can also be determined over a whole day or a week in order to correctly dimension or parameterize a heating, ventilation or air conditioning system, taking into account the expected energy inputs or the energy inputs occurring at the measuring time.
  • a window has a plurality of radiation sensors, it may be advantageous to provide an evaluation unit for each window, which determines the energy input into the respective window from the data supplied by the radiation sensors of a window by suitable averaging and forwards the results obtained to a further evaluation unit, which collects the results from all windows and thus all the radiation sensors and, if appropriate, reuses them accordingly.
  • At least one radiation sensor is arranged in each window of the room.
  • the input radiation in particular the solar radiation
  • the energy input into the different windows of a page can thus be determined more precisely, which is particularly important if, for example, the windows belong to different rooms of a building in which different final temperatures are to be achieved by heating, cooling or ventilation.
  • the radiation sensor is arranged on the outside of the window or on the outside of the room on a wall surface, to accurately determine the energy input into the room, the radiation passage through the window pane must be taken into account, in which energy losses occur.
  • the actual energy input into the room is included a function of the angle of incidence of the radiation on the windowpane, permeability of the window, reflection and absorption of the radiation and the duration of the incident radiation. For the exact determination of the energy input into the room thus the knowledge of a variety of factors is necessary, which brings a lot of effort.
  • the radiation sensor is therefore arranged on the inside of the window directly behind the window pane, particularly preferably parallel to the window pane, so that these factors are automatically taken into account and only the radiation power actually falling into the room is measured by the radiation sensor over time , After multiplication with the window area, the energy input into the room results directly without further calculations.
  • the radiation sensor preferably has a temperature sensor for determining the internal pane temperature.
  • the window pane is heated by absorption of the radiation, which results in the window pane acting as a convection surface. This effect depends on the temperature difference between the room interior temperature and the window pane interior temperature.
  • the device according to the invention preferably additionally has a temperature sensor for detecting the internal temperature of the room.
  • At least two solar sensors can be arranged in each window of a room (for example, rooms, buildings, vehicle interior), since even a single window can only be partially shaded. This problem especially occurs
  • Two or more radiation sensors can determine the solar radiation at different locations of the window, and the energy input can be determined from a suitably formed mean value of the solar radiation measured by the various radiation sensors. These radiation sensors are preferably arranged at different heights and / or diagonal angles of the window. It should be noted that, when arranged directly at an angle, shading of the radiation sensor by the window frame or an additional heat source could be exposed by radiation, so that preferably the radiation sensors are arranged at an appropriate distance from the window-covering components.
  • the radiation sensor is preferably a solar sensor, so that it is particularly suitable for the special requirements in the measurement of the radiation, in particular the solar radiation.
  • At least one further sensor is arranged on the outside of the room for acquiring meteorological data. This enables the determination of the energy input into a room to determine the dynamic heating or cooling process of a room, which depends on the weather conditions outside the room and thus on meteorological conditions
  • FIG. 1 shows a perspective view of a house equipped with an embodiment of the invention
  • Figure 2 is a perspective view of a house equipped with a second embodiment of the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of a window equipped with a third embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a window equipped with a fourth embodiment of the invention and a schematic representation of the evaluation unit.
  • Figure 1 shows a perspective view of a house 10 with a front side 10a, a longitudinal side 10b and a roof surface 10c. Both the front side 10a and the longitudinal side 10b each have two windows 12, while only one window 12 is arranged in the roof surface 10c. For example, the two windows 12 in the longitudinal side 10b of the house
  • the window 12 in the front 10a on the ground floor an area of 6 m 2
  • the window 12 in the front 10a in the gable a surface of 1.5 m 2
  • the window 12 in the roof surface 10c an area of 1 m 2 .
  • a radiation sensor 20 which is preferably designed as a solar sensor, is arranged on the end face 10a, the longitudinal side 10b and the roof surface 10c.
  • a radiation sensor package could be arranged consisting of a substantially cuboidal element on an unshaded point of the house 10, for example on the gable of the roof surface 10c, whose side surfaces extend substantially parallel to the side and roof surfaces of the house 10, wherein the side surfaces of the element radiation sensors are arranged.
  • a radiation sensor package can also Solar radiation from the different directions are detected.
  • the outer sides of the house 10, which have no windows, for example the non-visible outer sides of the house 10, are not taken into account in the determination of the energy input, since the energy input through masonry, in contrast to the energy input through window surfaces, is negligible.
  • a solar radiation of 400 W / m 2 is detected.
  • the radiation sensor 20 on the long side 10b of the house 10 registers a solar radiation of 700 W / m 2 .
  • the radiation energy input into each of the two windows 12 with a window area of 4 m 2 is thus 2800 W.
  • the radiation sensor 20 on the roof surface 10 c of the house 10 measures a solar radiation of 850 W / m 2 , so that the radiant energy input through the window 12 in the roof area 10c is 850W.
  • the radiation sensors 20 are arranged on the outside of the windows 12. In this case, however, it is to be considered that of the solar energy impinging on the windows 12 a part is reflected, a part is absorbed and only a part is introduced as transmission energy into the interior behind the window 12.
  • the energy input actually introduced into the interior space behind the window 12 is a function of the angle of incidence of the radiation on the window pane, the permeability of the window, reflection and absorption of the radiation and the duration of the incident radiation.
  • the radiation sensors 20 are arranged directly behind the windows 12 on the inside of the windows 12, so that these factors are taken into account automatically and only by the radiation sensors 20 Window 12 is measured in the underlying interior radiation power.
  • the solar energy absorbed by the windows 12 leads to an increase in the temperature of the window pane.
  • the window 12 then acts as a function of the temperature of the inside of the window 12 and the interior temperature of the behind
  • the radiation sensors 20 have a temperature sensor, not shown, for determining the temperature of the inside of the window 12. Furthermore, a device for determining the internal temperature of the behind the window 12 lying interior is provided.
  • the possible consideration of the convection which results from the difference temperature between the inside temperature of the window pane and the inside temperature of the room behind it over time and the window area, increases the accuracy of the determination of the energy input into the respective room.
  • the consideration of convection is part of the determination of the energy input in the respective room in an advantageous embodiment of the invention.
  • a radiation sensor 20 is arranged in each window 12.
  • the radiation sensor 20 arranged in the unshaded window 12 on the longitudinal side 10b of the house 10 detects a solar radiation of 700 W / m 2 and the radiation energy input into this window 12 continues to be 2800 W as in the first embodiment, the radiation sensor detects 20 in the shadowed by the shadow 35 of the tree 30 windows 12 of the longitudinal side 10 b of the house 10 a solar radiation of only 100 W / m 2 , so that the radiation energy input into this window 12 calculated to 400 W.
  • the radiation sensors 20 can be arranged on the outside or the inside of the windows 12, but preferably on the inside of the windows 12.
  • the radiation sensors 20 are arranged in the window 12.
  • the radiation sensors 20 are located in the lower left and upper right corners of the window 12 shown in FIG. 3.
  • the radiation sensors 20 are arranged at a certain distance from the window surround components.
  • the radiation sensor 20 in the upper right corner is thus shaded and detects, for example Solar radiation of 100 W / m 2 , while the radiation sensor 20 in the lower left corner is still exposed to the sun and registered a solar radiation of 700 W / m 2 .
  • a suitable mean value for the radiation energy input through this window 12 is determined as follows:
  • the illustrated window 12 is one of the windows 12 in the longitudinal side 10b of the house 10 shown in FIGS. 1 and 2 with an area of 4 m 2 . It is assumed that the radiation sensor 20 in the lower left corner of the window 12 provides a value of solar radiation representative of the lower half of the window 12, while the radiation sensor 20 in the upper right corner of the window 12 provides one for the upper half of the window 12 representative value registered.
  • the radiation sensors 20 can be arranged on the outside or preferably on the inside of the windows 12.
  • the use of further radiation sensors 20 is possible.
  • four radiation sensors 20 are arranged in the window 12 along the left-hand side edge of the window 12.
  • the radiation sensors 20 are equidistantly arranged so that the upper radiation sensor 20 provides a representative of the solar radiation for the upper quarter of the window 12, while the second radiation sensor 20 provides from above a representative of the solar radiation for the second quarter from above.
  • the two lower radiation sensors 20 each provide a representative of the solar radiation for the third and fourth quarters of the surface of the window 12.
  • FIG. 4 additionally shows an evaluation unit 50, which is connected to the four radiation sensors 20 of the window 12, which registers the values measured by the radiation sensors 20 for the solar radiation and evaluates them accordingly.
  • the evaluation unit 50 it is deposited, which area the window 12 has in total and which radiation sensor 20 registers for which partial area of the window 12 a value of the solar radiation.
  • the evaluation of the values for the solar irradiation determined by the radiation sensors 20 can take place either directly after recording a single measured value or after taking a series of measured values by the evaluation unit 50.
  • the evaluation unit 50 can be connected to further radiation sensors 20 by further windows 12 or it forwards the registered data to a further evaluation unit which stores all data from all of them to take into account windows collects and reuses.
  • a data acquisition device (not shown) is provided. which is able to supply the values measured by a single connected radiation sensor 20 for certain periods of time, for example over a few hours or over a whole day, and to add, if necessary, in the control of the heating and ventilation - Or air conditioning or for dimensioning such in a room, in particular in the house 10, to be incorporated installation.
  • This data acquisition device can be integrated in the radiation sensor 20 or the evaluation unit 50 or connected to the radiation sensor 20 or the evaluation unit 50 as an external data acquisition device. Such a data acquisition device is not necessary when the radiation sensors 20 are connected directly to a control of a system and based on the direct control by the radiation sensors 20.
  • each of the windows 12 in the exemplary embodiments according to FIG. 1 or 2 can be provided with radiation sensors 20 according to one of the embodiments in FIGS. 3 or 4 or with further arrangements of different numbers be equipped by radiation sensors 20 depending on the expected shadowing.
  • a preferred embodiment of the invention can be seen to provide for each room a radiation sensor, which according to the preceding embodiments is preferably arranged in the window or one of the windows and particularly preferably on the inside of the window area , as usually one radiation sensor per room is sufficient to be able to determine the radiation energy input into this room due to the solar radiation power with sufficient accuracy.
  • the method according to the invention for determining the radiation energy input into a room can be used to determine the dynamic heating and cooling processes of a room in a further method. These processes take place in dependence on the energy input into the room, whereby further meteorological influences and possibly also characteristic data of the room itself must be taken into account.
  • the meteorological data as well as any other characteristic data are recorded over time.
  • the meteorological data include, for example, the sun gear, the direction, shading effects, the wind speed, the humidity and the outside, inside and surface temperature of the room and the maximum and / or minimum outside temperature, which during the last years, for example the last four years , was determined and the maximum and / or minimum solar radiation, which was also determined during the last years, for example, the last four years.
  • Other characteristic data of the room include storage factors, U-values of the walls and roofs of the room, nature, location and size of the window areas, which do not change over time, and other internal heat gains or losses from already installed ones Heating, ventilation and / or air conditioning systems are generated time-dependent.
  • corresponding sensors for detecting the data on the house 10 can be arranged and with corresponding data acquisition devices and Evaluation units are connected.
  • these sensors are arranged both on the outside of the house 10 and on the inside of the house.
  • both on the inside of the windows 12 and on the outside of the windows are 12 radiation sensors for determining the solar radiation. All data, which are determined by the various sensors are detected time-dependent, in particular in 24-h cycles with the corresponding data acquisition device, so as to be able to determine the dynamic heating and cooling processes using one or more evaluation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum (10) mit den Schritten: Ermittlung der Einstrahlung mit wenigstens einem Strahlungssensor (20) in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite (10a, 10b, 10c), welche wenigstens ein Fenster (12) aufweist, Ermittlung der Fensterfläche auf jeder Seite (10a, 10b, 10c) des Raumes (10) und Berechnung des Energieeintrags aus der mit den Strahlungssensoren (20) ermittelten Strahlungsleistung integriert über die Zeit und der Fensterfläche. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmemenge, welche über die Konvektion der Fensterfläche in der Raum abgegebenen wird, aus der Temperaturdifferenz von Scheibeninnenfläche und Raumtemperatur sowie der Scheibengröße errechnet und bei der Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum berücksichtig. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum (10) durch eine Strahlungsquelle mit wenigstens einem Strahlungssensor (20) in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite (10a, 10b, 10c), welche wenigstens ein Fenster (12) aufweist, und einer Auswerteeinheit (50), welche mit den Strahlungssensoren (20) verbindbar ist, wobei die Auswerteeinheit aus der mit den Strahlungssensoren (20) ermittelten Strahlungsleistung, welche über die Zeit integriert wird, und der Fensterfläche den Energieeintrag berechnet .

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum durch eine Strahlungsquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum durch eine Strahlungsquelle .
Bekannt sind Dimensionierungsverfahren und Regelungseinrichtungen für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, die in Räumen (z.B. Zimmer, Gebäude oder Fahrzeuge) Anwendung finden. Die Dimensionierung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen erfolgt nach unterschiedlichen Parametern wie Größe des Rau- mes, Isolierung, Nutzungsformen, externe und interne Wärmequellen oder Energieeffizienz. Nachteilig ist jedoch, dass die Fremdenergie, die in den Raum eingetragen wird, nicht o- der nur anhand von Standardtabellenwerten berücksichtigt wird, was dazu führen kann, dass Anlagen eingebaut werden, die in ihrer Leistungsbereitstellung über die Zeit nicht den tatsächlichen Anforderungen des Objektes und seiner Nutzung entsprechen, so dass sich dann ein erhöhter Energieverbrauch, eine unzweckmäßige Verteilung bzw. auch eine zeitweilig ungenügende Energiebereitstellung ergeben kann, als für den Raum nötig wäre. Dies führt zu Einschränkungen in der Behaglichkeit, der Bereitstellung von Wärme oder Kälte am richtigen Ort zur richtigen Zeit für typische oder spezielle Bedingungen ungünstigen Anlagennutzungsgraden oder auch Mehrkosten für überdimensionierte bzw. ungünstig betriebene Anlagen.
Bekannt sind weiterhin unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Regelung von in Räumen (z.B. Zimmern, Gebäuden oder Fahrzeugen) angeordneten Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Dazu wird im Idealfall die Temperatur in dem zu hei- zenden oder zu kühlenden Raum bestimmt und das Thermostat der Anlage entsprechend geregelt. Nachteilig bei den bekannten Systemen ist, dass die Regelung meist ausschließlich auf der Bestimmung der Raumtemperatur beruht und Fremdenergie, die in Räume eingetragen wird, nicht direkt berücksichtigen oder erfassen kann. Dadurch wird die Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage nicht optimal gesteuert, da beispielsweise ein Raum, in den zusätzlich Fremdenergie eingetragen wird, weniger geheizt werden muss als ein Raum, in den keine Fremdenergie eingetragen wird. Wird die Fremdenergie nur indirekt berücksichtigt, wird somit mehr Heizleistung bereitgestellt als benötigt wird, was den Nutzungsgrad der Heizung herabsetzen kann. Es ist daher wünschenswert, eine Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage insbesondere im Hinblick auf ihre Dimensionierung, ihren Nutzungsgrad und ihre Konfigurierung für jede Fremdenergieeinträge bei beliebiger Temperatur an der Heizung oder Klimaanlage und für jede Temperatur in dem entsprechenden Raum planen bzw. optimieren zu können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Fremdenergie, die beispielsweise durch Sonneneinstrahlung durch die Fenster eines Raumes (z.B. Zimmer, Gebäude oder Fahrzeuge) in einen Raum eingetragen wird, zu bestimmen, um damit eine Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage oder ähnliches für einen Neueinbau bzw. Ersatz optimal dimensionieren oder während des Betriebs optimal regeln zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung des Energieeintrags gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags gemäß Patentanspruch 13.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum weist folgende Schritte auf. Zunächst wird in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite (beispiels- weise Gebäude-, Zimmer- oder Fahrzeugaußenseite), welche wenigstens ein Fenster aufweist, wenigstens ein Strahlungssensor angebracht . Zur Ermittlung des Energieeintrags sind dabei bevorzugt nur die Raumaußenseiten zu berücksichtigen, an wel- chen auch Sonnenstrahlung in einem entscheidenden Ausmaß einfallen kann. Werden bspw. Außenseiten von Gebäuden durch benachbarte Gebäude ständig abgeschattet, müssen diese Raumaußenseiten, auch wenn sie Fenster aufweisen, nicht notwendigerweise mit einem Strahlungssensor versehen werden, da kein nennenswerter Energieeintrag erfolgt.
Für das Anbringen des wenigstens einen Strahlungssensors in Richtung wenigstens einer Raumaußenwand bestehen folgende Alternativen. Entweder wird wenigstens ein Strahlungssensor an den entsprechenden Raumaußenseiten angeordnet, oder es wird ein Strahlungssensorpaket, bestehend im wesentlichen aus einem Quader, auf welchem auf jeder Fläche ausgenommen der Bodenfläche und ggfs. Flächen, für welche keine relevante Einstrahlung erwartet wird, Strahlungssensoren angeordnet wer- den, auf einer nicht abgeschatteten Stelle, beispielsweise auf der Oberseite des Raumes, angeordnet.
Mit diesen Strahlungssensoren wird die einfallende Einstrahlung über die Zeit ermittelt. Zusätzlich wird die Fensterflä- che auf der zugehörigen Seite des Raumes bestimmt. Der Energieeintrag ergibt sich anschließend aus der mit den Strahlungssensoren ermittelten Einstrahlung über die Zeit und der zugehörigen Fensterfläche pro Raum bzw. Gebäude. Wird die Sonneneinstrahlung in W/m2 und die Fensterfläche in m2 ermit- telt, ergibt sich der Energieeintrag als Integral des für die Sonneneinstrahlung ermittelten Werts über die Zeit multipliziert mit dem Wert der Fensterfläche bspw. in der Einheit kWh/m2.
Die Bestimmung des Energieeintrags in einen Raum, beispielsweise einem Zimmer, eines aus mehreren Zimmern bestehenden Gebäudes oder eines Fahrzeuginnenraums, ermöglicht es, die Energiebilanz des Raumes zu bestimmen und die Energiedifferenz, die von einer Heizung oder einer Klimaanlage zusätzlich aufgebracht werden muss, um eine vorgegebene Raumtemperatur zu erreichen oder zu halten, zu ermitteln. Bei einzelnen Zim- mern, Gebäuden oder Fahrzeuginnenräumen wird in der Regel der Fremdenergieeintrag durch die durch Fenster einfallende Sonneneinstrahlung wesentlich bestimmt. Somit lässt sich der zu berücksichtigende Fremdenergieeintrag durch Bestimmung des Energieeintrags, welcher sich aus der Einstrahlung, insbeson- dere der Sonneneinstrahlung, über die Zeit auf die unterschiedlichen Seiten des Raumes und der auf diesen Seiten liegenden Fensterfläche ergibt, ermitteln. Die Verwendung mindestens eines Strahlungssensors an mindestens einer Außenseite des Raumes, welche ein Fenster aufweist, trägt dabei den unterschiedlichen Sonneneinstrahlungen je nach Sonnenstand und z. B. wetterbedingten Abschattungen Rechnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann den Nutzungsgrad einer Heizung oder einer Klimaanlage auf folgende Weise optimieren. Da beispielsweise ein Raum, in welchen durch ein Fenster die Sonne scheint, bereits durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird, ist weniger Leistung bzw. Arbeit der Heizung nötig, um den Raum auf die vorgegebene Endtemperatur zu erwärmen. Durch Berücksichtigung der eingetragenen Fremdenergie wird nur noch die Differenzenergie von der Heizung angefordert, so dass geringere Verluste auftreten, wodurch der Nutzungsgrad der Heizung verbessert wird. Weiterhin ermöglicht die Kenntnis von Fremdenergieeinträgen in einen Raum über die Zeit (Zyklus beliebig über Sekunden, Stunden, Tage, Wochen) ein entsprechend optimiertes technisches und energetisches Raummanagement bspw. für ein Gebäude, ein Fahrzeug oder ein Schiff. Insbesondere kann aus gemessenen Strahlungsverläufen, beispielsweise aus den Strahlungsverläufen in den vorangehenden Tagen, insbesondere den vorangehenden zwei Tagen, im Vorfeld eine Extrapolation zur Prognostizierung der Energie für die Objektkühlung oder -beheizung bzw. Reduzierung von Regelschwankungen erfolgen. Soll z. B. in ein Gebäude eine Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage eingebaut werden, können die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Daten über den Fremdwärmeeintrag, welche beispielsweise über einen Tag oder eine Woche ermittelt werden, zur optimalen Konfigurierung der Anlage verwendet werden, um die Anlage nicht größer als notwendig ausfallen zu lassen und somit Investitions- und Energiekosten zu sparen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein durch Konvektion verursachter zusätzlicher Beitrag zum Energieeintrag aus der aus der Innentemperatur der Scheibe des Fensters und der Innentemperatur des Raumes ermittelten Dif- ferenztemperatur, welche über die Zeit integriert wird, und der Fensterfläche berechnet. Somit wird eine höhere Genauigkeit des gelieferten Ergebnisses erzielt.
Vorzugsweise ist zumindest eine Datenerfassungseinrichtung zum Erfassen der ermittelten Einstrahlung vorgesehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine Auswerteeinheit zur Ermittlung des Energieeintrags aus der mit den Strahlungssensoren ermittelten Strahlungsleistung, welche über die Zeit integriert wird, und der Fensterfläche vorgesehen.
Vorzugsweise werden weitere charakteristische Daten des Raumes, vorzugsweise das Volumen und/oder Speichermassen und/oder BaustoffCharakteristiken und/oder U-Werte, erfasst, da diese ebenfalls Auswirkungen auf den Energieeintrag haben und daher berücksichtigt werden sollten. Vorzugsweise werden als charakteristische Daten des Raumes die durch bereits in dem Raum installierte Heizungs- und/oder Lüftungs- und/oder Klimaanlagen bewirkten Energieeinträge über die Zeit erfasst. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum zur Ermittlung des dynamischen Aufheiz- oder AbkühlVorgangs eines Raumes verwendet, wobei zusätzlich zu dem ermittelten Strahlungsenergieeintrag weitere meteorologische Daten über die Zeit erfasst werden können. Besonders bei bereits bestehenden Gebäuden, welche energetisch optimiert, saniert oder nachgerüstet werden sollen, bietet sich für die Ermittlung des Einflusses der Solarstrahlung der Einsatz des vorliegenden Verfahrens zur Ermittlung der dynamischen Auf- heiz- oder Abkühlvorgänge an, um die neuen Heizungs-, Lüf- tungs- oder Klimaanlagen optimal konfigurieren zu können.
Der Aufheiz- oder Abkühlvorgang eines Raumes, insbesondere eines Gebäudes oder von Gebäudeteilen, erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von meteorologischen Daten wie Sonnenstand, Himmelsrichtung und Abschattungseffekten und somit Verlauf der Sonneneinstrahlung an der Außenfläche des Raumes, Außentemperatur, Innentemperatur, Oberflächentemperatur, Luft- feuchte, Windgeschwindigkeit, Luftwechseldaten, der maximalen und/oder minimalen Außentemperatur, die während der letzten Jahre, beispielsweise der letzten vier Jahre, ermittelt wurde, der maximalen und/oder minimalen Sonneneinstrahlung, die während der letzten Jahre, beispielsweise der letzten vier Jahre, ermittelt wurde und weiteren meteorologischen Daten und bevorzugt weiteren charakteristischen Größen des Raumes selbst wie z.B. Speicherfaktoren der verwendeten Materialien, U-Werten für Wände und Dächer, Raumtypen und/oder weiterer Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagen, die bereits Ener- gieeinträge in den Raum liefern. Daher werden bevorzugt einige dieser Daten berücksichtigt und beispielsweise durch entsprechende Sensoren an Innen- und/oder Außenseite des Raumes über die Zeit erfasst, um aus ihnen den Abkühl- bzw. Aufheiz- vorgang in Abhängigkeit von der Zeit bestimmen zu können.
Vorzugsweise werden der Energieeintrag und die weiteren meteorologischen Daten und/oder die weiteren charakteristischen Daten über einen Zeitraum von 24 h oder einen Zeitraum von mehreren 24-h-Zyklen erfasst, um den dynamischen Aufheiz- o- der Abkühlvorgang in Abhängigkeit vom Tagesverlauf bestimmen und darauf abgestimmt die Heizungs-, Lüftungs- und/oder KIi- maanlagen optimal dimensionieren bzw. konfigurieren zu können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens einen Strahlungs- sensor in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite mit wenigstens einem Fenster und wenigstens eine Auswerteeinheit, welche mit den Solarsensoren verbindbar ist. Die Strahlungs- sensoren erfassen die Einstrahlung, insbesondere die Sonneneinstrahlung, über die Zeit. Die Auswerteeinheit ermittelt unter Berücksichtigung der jeweiligen Fensterflächen den jeweiligen Energieeintrag durch jedes Fenster durch Integration der Strahlungsleistung über die Zeit. Die Auswertung kann direkt im Anschluss an die Aufnahme eines einzelnen Messwerts der Strahlungssensoren oder auch nach Aufnahme einer Serie von Messwerten der Strahlungssensoren durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zusätzlich eine Datenerfassungseinrichtung auf. Die Datenerfassungseinrichtung erfasst die von den Strahlungssensoren gelieferten Daten und zeichnet sie über die Zeit auf. Die in gewissen Zeiträumen ermittelten Werte für die Einstrahlung können somit erfasst und entweder in der Datenerfassungseinrichtung oder in damit verbundenen Speicher- und/oder Auswerteeinheiten gespeichert und bei Bedarf auch direkt ausgewertet werden.
Durch die Integration der Strahlungsleistung über Zeitperioden können die Energieeinträge während bestimmter Zeitperioden, beispielsweise von einigen Stunden, und insbesondere pe- riodisch schwankende Energieeinträge während des Tagesverlaufs, von der Steuerung der Heizung oder der Klimaanlage berücksichtigt werden. Weiterhin können die Energieeinträge auch über einen ganzen Tag oder eine Woche ermittelt werden, um eine Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage unter Berücksichtigung der zu erwartenden Energieeinträge bzw. der zur Messzeit vorkommenden Energieeinträge richtig dimensionieren bzw. parametrisieren zu können.
Weist ein Fenster mehrere Strahlungssensoren auf, kann es von Vorteil sein, für jedes Fenster eine Auswerteeinheit vorzusehen, welche aus den von den Strahlungssensoren eines Fensters gelieferten Daten durch geeignete Mittelwertbildung den Energieeintrag in das jeweilige Fenster ermittelt und die erhaltenen Ergebnisse an eine weitere Auswerteeinheit weiterleitet, welche die Ergebnisse von allen Fenstern und somit allen Strahlungssensoren sammelt und gegebenenfalls entsprechend weiterverwertet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in jedem Fenster des Raumes wenigstens ein Strahlungssensor angeordnet. Somit kann berücksichtigt werden, dass die Ein- Strahlung, insbesondere die Sonneneinstrahlung, auch bei auf einer Seite liegenden Fenstern unterschiedlich sein kann, da beispielsweise verschiedene Fenster eines Raumes durch Bäume beschattet werden, während andere Fenster auf der gleichen Seite direkt von der Sonne beschienen werden. Der Energieein- trag in die unterschiedlichen Fenster einer Seite lässt sich somit genauer bestimmen, was insbesondere dann von Bedeutung ist, falls beispielsweise die Fenster zu unterschiedlichen Zimmern eines Gebäudes gehören, in welchen unterschiedliche Endtemperaturen durch Heizen, Kühlen oder Lüften erreicht werden sollen.
Ist der Strahlungssensor auf der Außenseite des Fensters oder auf der Außenseite des Raumes auf einer Wandfläche angeordnet, muss zur genauen Bestimmung des Energieeintrags in den Raum der Strahlungsdurchgang durch die Fensterscheibe berücksichtigt werden, bei welchem Energieverluste auftreten. Der tatsächlich in den Raum eingebrachte Energieeintrag ist dabei eine Funktion von Einfallswinkel der Strahlung auf die Fensterscheibe, Durchlässigkeit des Fensters, Reflexion und Absorption der Strahlung sowie der Zeitdauer der einfallenden Strahlung. Zur genauen Bestimmung des Energieeintrags in den Raum ist somit die Kenntnis einer Vielzahl von Faktoren nötig, was einen hohen Aufwand mit sich bringt. Vorzugsweise ist daher der Strahlungssensor auf der Innenseite des Fensters direkt hinter der Fensterscheibe, besonders bevorzugt parallel zur Fensterscheibe, angeordnet, so dass diese Fakto- ren automatisch mit berücksichtigt werden und von dem Strahlungssensor nur die tatsächlich in den Raum einfallende Strahlungsleistung über die Zeit gemessen wird. Nach Multiplikation mit der Fensterfläche ergibt sich somit ohne weitere Rechnungen direkt der in den Raum eingebrachte Energieein- trag.
Vorzugsweise weist der Strahlungssensor einen Temperaturfühler zur Ermittlung der Fensterscheibeninnentemperatur auf. Bei Durchgang der Sonnenstrahlung durch die Fensterscheibe wird durch Absorption der Strahlung die Fensterscheibe erwärmt, was dazu führt, dass die Fensterscheibe als Konvekti- onsflache wirkt. Diese Wirkung ist abhängig von der Temperaturdifferenz von Rauminnentemperatur zu Fensterscheibeninnentemperatur. Um die durch die Aufwärmung der Fensterscheibe verursachte Konvektion berücksichtigen zu können, ist daher die Ermittlung der Fensterscheibeninnentemperatur notwendig. Bevorzugt weist zur genauen Ermittlung der durch die Aufwärmung der Fensterscheibe verursachten Konvektion die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich einen Temperaturfühler zur Erfassung der Innentemperatur des Raumes auf.
Es können in jedem Fenster eines Raumes (z.B. Zimmer, Gebäude, Fahrzeuginnenraum) wenigstens zwei Solarsensoren angeordnet werden, da auch ein einzelnes Fenster nur teilweise be- schattet sein kann. Dieses Problem tritt insbesondere bei
Räumen mit großflächigen Fensterflächen, bspw. bei Wintergärten, auf. Wäre in einem Fenster nur ein Sensor angeordnet, welcher der Sonne direkt ausgesetzt wäre, während ein Großteil des Fensters im Schatten läge, würde der aus der von dem Strahlungssensor ermittelten Sonneneinstrahlung und der entsprechenden Fensterfläche bestimmte Energieeintrag von dem tatsächlichen Energieeintrag signifikant abweichen. Zwei oder mehrere Strahlungssensoren können die Sonneneinstrahlung an unterschiedlichen Stellen des Fensters bestimmen, und der E- nergieeintrag kann aus einem geeignet gebildeten Mittelwert der von den verschiedenen Strahlungssensoren gemessenen Son- neneinstrahlungen ermittelt werden. Diese Strahlungssensoren werden bevorzugt in unterschiedlichen Höhen und/oder in diagonal liegenden Winkeln des Fensters angeordnet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Anordnung direkt in einem Winkel einer Abschattung des Strahlungssensors durch die Fensterrah- men oder einer zusätzlichen Wärmequelle durch Abstrahlung ausgesetzt sein könnten, so dass bevorzugt die Strahlungssensoren mit entsprechendem Abstand zu den Fenstereinfassungs- bauteilen angeordnet sind.
Vorzugsweise ist der Strahlungssensor ein Solarsensor, damit er auf die speziellen Anforderungen bei der Messung der Strahlung, insbesondere der Sonneneinstrahlung, besonders geeignet ist.
Vorzugsweise ist wenigstens ein weiterer Sensor auf der Außenseite des Raumes zur Erfassung von meteorologischen Daten angeordnet. Dies ermöglicht die Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum zur Ermittlung des dynamischen Aufheiz - oder AbkühlVorgangs eines Raumes, welcher von den Wetterbe- dingungen außerhalb des Raumes und somit von meteorologischen
Daten abhängt .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Hauses ausgestattet mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Hauses ausgestattet mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Fensters ausgestattet mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Fensters ausgestattet mit einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine schematische Darstellung der Auswerteeinheit .
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauses 10 mit einer Stirnseite 10a, einer Längsseite 10b und einer Dachfläche 10c. Sowohl die Stirnseite 10a als auch die Längsseite 10b weisen je zwei Fenster 12 auf, während in der Dachfläche 10c nur ein Fenster 12 angeordnet ist. Beispielsweise haben die beiden Fenster 12 in der Längsseite 10b des Hauses
10 eine Fläche von je 4 m2, das Fenster 12 in der Stirnseite 10a im Erdgeschoss eine Fläche von 6 m2, das Fenster 12 in der Stirnseite 10a im Dachgiebel eine Fläche von 1,5 m2 und das Fenster 12 in der Dachfläche 10c eine Fläche von 1 m2.
Um den Energieeintrag durch die Fenster 12 in das Haus 10 bestimmen zu können, ist auf der Stirnseite 10a, der Längsseite 10b sowie der Dachfläche 10c jeweils ein Strahlungssensor 20, welcher bevorzugt als Solarsensor ausgebildet ist, angeordnet. Alternativ könnte auch auf einer nicht abgeschatteten Stelle des Hauses 10, beispielsweise auf dem Giebel der Dachfläche 10c, ein Strahlungssensorpaket bestehend aus einem im wesentlichen quaderförmigen Element angeordnet werden, dessen Seitenflächen im wesentlichen parallel zu den Seiten- und Dachflächen des Hauses 10 verlaufen, wobei auf den Seitenflächen des Elements Strahlungssensoren angeordnet sind. Durch ein derartiges Strahlungssensorpaket kann ebenfalls die Sonneneinstrahlung aus den unterschiedlichen Richtungen de- tektiert werden.
Die Außenseiten des Hauses 10, welche keine Fenster aufwei- sen, beispielsweise die nicht sichtbaren Außenseiten des Hauses 10, werden bei der Ermittlung des Energieeintrags nicht berücksichtigt, da der Energieeintrag durch Mauerwerk im Gegensatz zu dem Energieeintrag durch Fensterflächen zu vernachlässigen ist.
Außenseiten des Hauses 10, welche bspw. durch benachbarte Gebäude ständig abgeschattet sind, können ebenfalls unberücksichtigt bleiben, damit der Aufwand zur Ermittlung des Energieeintrags in das Haus 10 möglichst gering bleibt, da auf einer abgeschatteten Seite eines Raumes kein nennenswerter Energieeintrag durch die dort liegenden Fensterflächen erzeugt wird.
Von dem Strahlungssensor 20 an der Stirnseite 10a des Hauses 10 wird eine Sonneneinstrahlung von 400 W/m2 detektiert. Der Strahlungsenergieeintrag in das größere Fenster 12 mit einer Fensterfläche von 6 m2 beträgt somit 400 W/m2 * 6 m2 = 2400 W, während der Strahlungsenergieeintrag in das kleinere Fenster 12 mit einer Fensterfläche von 1,5 m2 600 W beträgt. Der Strahlungssensor 20 an der Längsseite 10b des Hauses 10 registriert eine Sonneneinstrahlung von 700 W/m2. Der Strahlungsenergieeintrag in jedes der beiden Fenster 12 mit einer Fensterfläche von 4 m2 beträgt somit 2800 W. Der Strahlungs- sensor 20 auf der Dachfläche 10c des Hauses 10 misst eine Sonneneinstrahlung von 850 W/m2, so dass der Strahlungsenergieeintrag durch das Fenster 12 in der Dachfläche 10c 850 W beträgt .
Bei dieser Berechnung wurde zunächst angenommen, dass die Strahlungssensoren 20 auf der Außenseite der Fenster 12 angeordnet sind. In diesem Fall ist jedoch zu berücksichtigen, dass von der auf die Fenster 12 auftreffenden Solarenergie ein Teil reflektiert, ein Teil absorbiert und nur ein Teil als Transmissionsenergie in den Innenraum hinter dem Fenster 12 eingebracht wird. Der tatsächlich in den Innenraum hinter dem Fenster 12 eingebrachte Energieeintrag ist dabei eine Funktion von Einfallswinkel der Strahlung auf die Fensterscheibe, Durchlässigkeit des Fensters, Reflexion und Absorption der Strahlung sowie der Zeitdauer der einfallenden Strahlung. Um eine aufwändige Berechnung unter Berücksichtigung der Wärmedurchgangskoeffizienten etc. zu vermeiden, wer- den die Strahlungssensoren 20 direkt hinter den Fenstern 12 auf der Innenseite der Fenster 12 angeordnet, so dass diese Faktoren automatisch mit berücksichtigt werden und von den Strahlungssensoren 20 nur die tatsächlich durch das Fenster 12 in den dahinter liegenden Innenraum einfallende Strah- lungsleistung gemessen wird.
Die von den Fenstern 12 absorbierte Solarenergie führt zu einer Temperaturerhöhung der Fensterscheibe. Das Fenster 12 wirkt dann in Abhängigkeit von der Temperatur der Innenseite des Fensters 12 und der Innenraumtemperatur des hinter dem
Fenster 12 liegenden Innenraums als Konvektionsflache für den Innenraum. Um diese Konvektion berücksichtigen zu können, weisen die Strahlungssensoren 20 einen nicht dargestellten Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur der Innenseite des Fensters 12 auf. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Innentemperatur des hinter dem Fenster 12 liegenden Innenraumes vorgesehen. Die somit mögliche Berücksichtigung der Konvektion, welche sich aus der Differenztemperatur zwischen Innentemperatur der Fensterscheibe und der In- nentemperatur des dahinter liegenden Zimmers integriert über die Zeit und der Fensterfläche ergibt, erhöht die Genauigkeit der Bestimmung des Energieeintrags in den jeweiligen Raum. Die Berücksichtigung der Konvektion ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil der Bestimmung des Energieeintrags in den jeweiligen Raum. Die Bestimmung des Strahlungsenergieeintrags durch Fenster 12 auf einer Seite 10a, 10b, 10c des Hauses 10 wird ungenau, wenn, wie beispielsweise in Figur 2 dargestellt, die Fenster 12 auf einer Seite 10a, 10b, 10c unterschiedlich abgeschattet werden. Gleiche Teile in den weiteren Figuren 2 bis 4 sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet.
Neben dem Haus 10 steht ein Baum 30, welcher einen Schatten 35 auf das Haus wirft und somit das rechte der beiden Fenster 12 in der Längsseite 10b des Hauses 10 abschattet. Würde jetzt der Strahlungsenergieeintrag durch dieses Fenster 12 basierend auf einem direkt von der Sonne beschienenen Solarsensor 20 berechnet, wäre der ermittelte Strahlungsenergie- eintrag signifikant zu groß und von einer im Raum betriebenen Heizung würde zu wenig Leistung bzw. von einer im Raum betriebenen Klimaanlage zu viel Leistung angefordert. Daher ist in dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel in jedem Fenster 12 ein Strahlungssensor 20 angeordnet. Während nun der in dem nicht abgeschatteten Fenster 12 auf der Längsseite 10b des Hauses 10 angeordnete Strahlungssensor 20 eine Sonneneinstrahlung von 700 W/m2 detektiert und der Strahlungsenergieeintrag in dieses Fenster 12 weiterhin wie in dem ersten Ausführungsbeispiel zu 2800 W bestimmt wird, detektiert der Strahlungssensor 20 in dem durch den Schatten 35 des Baumes 30 abgeschatteten Fenster 12 der Längsseite 10b des Hauses 10 eine Sonneneinstrahlung von nur 100 W/m2, so dass sich der Strahlungsenergieeintrag in dieses Fenster 12 zu 400 W berechnet.
Wiederum können, wie auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, die Strahlungssensoren 20 auf der Außen- oder der Innenseite der Fenster 12, bevorzugt jedoch auf der Innenseite der Fenster 12, angeordnet werden.
Um auch eine teilweise Abschattung der Fenster 12 bei der Bestimmung des Strahlungsenergieeintrags berücksichtigen zu können, sind gemäß dem in Figur 3 dargestellten dritten Aus- führungsbeispiel zwei Strahlungssensoren 20 in dem Fenster 12 angeordnet. Dabei befinden sich die Strahlungssensoren 20 in der linken unteren und der rechten oberen Ecke des in Figur 3 dargestellten Fensters 12. Um Abschattungseffekte oder Wärme- abstrahlungseffekte durch die Fenstereinfassungsbauteile zu verhindern, sind die Strahlungssensoren 20 in gewissem Abstand zu den Fenstereinfassungsbauteilen angeordnet. Ein das Fenster 12 teilweise abdeckender Schatten 40, welcher zum Beispiel von dem Dachüberstand des Hauses 10 geworfen wird, verläuft horizontal und somit parallel zur Ober- und Unterkante des Fensters 12. Der Strahlungssensor 20 in der oberen rechten Ecke ist somit abgeschattet und detektiert beispielsweise eine Sonneneinstrahlung von 100 W/m2, während der Strahlungssensor 20 in der linken unteren Ecke weiterhin der Sonne ausgesetzt ist und eine Sonneneinstrahlung von 700 W/m2 registriert. Ein geeigneter Mittelwert für den Strahlungs- energieeintrag durch dieses Fenster 12 wird wie folgt bestimmt: Bei dem dargestellten Fenster 12 handelt es sich um eins der Fenster 12 in der Längsseite 10b des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hauses 10 mit einer Fläche von 4 m2. Es wird angenommen, dass der Strahlungssensor 20 in der linken unteren Ecke des Fensters 12 einen für die untere Hälfte des Fensters 12 repräsentativen Wert der Sonneneinstrahlung liefert, während der Strahlungssensor 20 in der rechten oberen Ecke des Fensters 12 einen für die obere Hälfte des Fensters 12 repräsentativen Wert registriert. Der momentane Strahlungsenergieeintrag in das Fenster 12 bestimmt sich somit zu 700 W/m2 * 2 m2 + 100 W/m2 * 2 m2 = 1600 W.
Wiederum können, wie auch in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 oder 2, die Strahlungssensoren 20 auf der Außen- oder bevorzugt auf der Innenseite der Fenster 12 angeordnet werden.
Um den ermittelten Strahlungsenergieeintrag, speziell bei sehr großen Glasflächen, die bspw. wie in Wintergärten ganze Raumaußenflächen einnehmen können, noch genauer bestimmen zu können, ist der Einsatz weiterer Strahlungssensoren 20 möglich. Bspw. sind in einem in Figur 4 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel in dem Fenster 12 vier Strahlungssensoren 20 entlang der linken Seitenkante des Fensters 12 angeordnet. Die Strahlungssensoren 20 sind in gleichen Abständen zueinander so angeordnet, dass der obere Strahlungssensor 20 einen für das obere Viertel des Fensters 12 repräsentativen Wert der Sonneneinstrahlung liefert, während der zweite Strahlungssensor 20 von oben einen für das zweite Viertel von oben repräsentativen Wert der Sonneneinstrahlung liefert. Analog liefern die beiden unteren Strahlungssensoren 20 jeweils einen für das dritte und vierte Viertel der Fläche des Fensters 12 repräsentativen Wert der Sonneneinstrahlung.
In Figur 4 ist zusätzlich eine Auswerteeinheit 50 dargestellt, welche mit den vier Strahlungssensoren 20 des Fensters 12 verbunden ist, die von den Strahlungssensoren 20 gemessenen Werte für die Sonneneinstrahlung registriert und entsprechend auswertet. In der Auswerteeinheit 50 ist hinter- legt, welche Fläche das Fenster 12 insgesamt aufweist und welcher Strahlungssensor 20 für welche Teilfläche des Fensters 12 einen Wert der Sonneneinstrahlung registriert . Die Auswertung der von den Strahlungssensoren 20 ermittelten Werte für die Sonneneinstrahlung kann entweder direkt nach Auf- nähme eines einzelnen Messwerts oder nach Aufnahme einer Serie von Messwerten durch die Auswerteeinheit 50 erfolgen.
Falls weitere Fenster 12 in dem zu heizenden, zu kühlenden oder zu lüftenden Raum berücksichtigt werden müssen, kann die Auswerteeinheit 50 mit weiteren Strahlungssensoren 20 von weiteren Fenstern 12 verbunden sein oder sie leitet die registrierten Daten an eine weitere Auswerteeinheit weiter, welche alle Daten von sämtlichen zu berücksichtigen Fenstern sammelt und weiterverwertet.
Zusätzlich ist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine nicht dargestellte Datenerfassungseinrichtung vor- gesehen, welche in der Lage ist, die von einem einzelnen angeschlossenen Strahlungssensor 20 gemessenen Werte für die Sonneneinstrahlung über bestimmte Zeitperioden, beispielsweise über einige Stunden oder über einen ganzen Tag, zu spei- ehern, aufzuaddieren und gegebenenfalls bei der Ansteuerung der Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlage oder zur Dimensionierung einer derartigen in einen Raum, insbesondere in das Haus 10, einzubauenden Anlage zu berücksichtigen. Diese Datenerfassungseinrichtung kann in den Strahlungssensor 20 oder die Auswerteeinheit 50 integriert oder als externe Datenerfassungseinrichtung mit dem Strahlungssensor 20 oder der Auswerteeinheit 50 verbunden sein. Eine derartige Datenerfassungseinrichtung ist dann nicht notwendig, wenn die Strahlungssensoren 20 direkt an eine Regelung einer Anlage ange- schlössen sind und basierend auf den von den Strahlungssensoren 20 direkt die Regelung erfolgt.
Die Ausführungsbeispiele in den Figuren 3 und 4 zeigen jeweils nur ein Fenster 12. Jedes der Fenster 12 in den Ausfüh- rungsbeispielen gemäß Figur 1 oder 2 kann jedoch mit Strahlungssensoren 20 gemäß einem der Ausführungsbeispiele in den Figuren 3 oder 4 oder mit weiteren Anordnungen unterschiedlicher Anzahlen von Strahlungssensoren 20 je nach zu erwartender Abschattung ausgestattet sein.
Befinden sich in einem Gebäude mehrere Zimmer, ist eine nicht dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin zu sehen, für jedes Zimmer einen Strahlungssensor vorzusehen, welcher gemäß der vorstehenden Ausführungsbeispiele bevorzugt in dem Fenster oder einem der Fenster und besonders bevorzugt auf der Innenseite der Fensterfläche angeordnet ist, da in der Regel bereits ein Strahlungssensor pro Zimmer ausreichend ist, den Strahlungsenergieeintrag in dieses Zimmer aufgrund der Sonneneinstrahlungsleistung hinreichend genau bestimmen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Strahlungs- energieeintrags in einen Raum kann dazu verwendet werden, in einem weiteren Verfahren die dynamischen Aufheiz- und Abkühl - Vorgänge eines Raumes zu bestimmen. Diese Vorgänge verlaufen in Abhängigkeit vom Energieeintrag in den Raum, wobei weiterhin meteorologische Einflüsse und gegebenenfalls auch charakteristische Daten des Raumes selbst berücksichtigt werden müssen. Dazu werden die meteorologischen Daten sowie gegebenenfalls weitere charakteristische Daten über die Zeit er- fasst. Zu den meteorologischen Daten zählen beispielsweise der Sonnengang, die Himmelsrichtung, Abschattungseffekte, die Windgeschwindigkeit, die Luftfeuchte und die Außen-, Innen- und Oberflächentemperatur des Raumes sowie die maximale und/oder minimale Außentemperatur, welche während der letzten Jahre, beispielsweise der letzten vier Jahre, ermittelt wurde und die maximale und/oder minimale Sonneneinstrahlung, welche ebenfalls während der letzten Jahre, beispielsweise der letzten vier Jahre, ermittelt wurde. Zu den weiteren charakteristischen Daten des Raumes zählen Speicherfaktoren, U-Werte der Wände und Dächer des Raumes, Art, Lage und Größe der Fensterflächen, welche sich im Verlauf der Zeit jedoch nicht ändern, und weitere interne Wärmegewinne oder -Verluste, die durch bereits installierte Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagen zeitabhängig hervorgerufen werden.
Zur Erfassung dieser Daten können in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zusätzlich zu den Strahlungssensoren 20 weitere entsprechende Sensoren zur Erfassung der Daten an dem Haus 10 entweder wie die Strahlungssensoren 20 in den Fens- tern 12 oder an den Außenwänden des Hauses 10 angeordnet und mit entsprechenden Datenerfassungseinrichtungen und Auswerteeinheiten verbunden werden. Je nach zu ermittelnder Größe sind diese Sensoren sowohl an der Außenseite des Hauses 10 als auch an der Innenseite des Hauses angeordnet. Insbesonde- re befinden sich sowohl auf der Innenseite der Fenster 12 als auch auf der Außenseite der Fenster 12 Strahlungssensoren zur Ermittlung der Sonneneinstrahlung. Sämtliche Daten, welche von den verschiedenen Sensoren ermittelt werden, werden zeitabhängig, insbesondere in 24-h-Zyklen mit der entsprechenden Datenerfassungseinrichtung erfasst, um somit die dynamischen Aufheiz- und Abkühlvorgänge mit Hilfe einer oder mehrerer Auswerteeinheiten bestimmen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum (10) durch eine Strahlungsquelle mit
- wenigstens einem Strahlungssensor (20) in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite (10a, 10b, 10c) , welche wenigstens ein Fenster (12) aufweist, und
- einer Auswerteeinheit (50) , welche mit den Strahlungssensoren (20) verbindbar ist, wobei die Auswerteeinheit aus der mit den Strahlungssensoren (20) ermittelten Strahlungsleistung, welche über die Zeit integriert wird, und der Fenster- fläche den Energieeintrag berechnet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass die Vorrichtung eine Datenerfassungseinrichtung aufweist, welche die von dem wenigstens einen Strahlungssensor (20) gelieferten Daten über die Zeit erfasst .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Fenster (12) des Raumes (10) wenigstens ein Strahlungssensor (20) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass der wenigstens eine Strahlungssensor (20) auf der Innenseite des Fens- ters (12) des Raumes (10) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass der wenigstens eine Strahlungssensor (20) einen Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur der Innenseite des Fensters (12) aufweist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Temperaturfühler zur Erfassung der Innentemperatur des Raumes (10) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in jedem Fenster (12) des Raumes (10) wenigstens zwei Strahlungssensoren (20) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass in jedem Fenster (12) des Raumes (10) zwei Strahlungssensoren (20) angeordnet sind, welche in zwei diagonal liegenden Winkeln des Fensters (12) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r c h g e ke nn z e i c hn e t , dass an jedem Fenster (12) des Raumes (10) wenigstens zwei Strahlungssenso- ren (20) in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r c h g e ke nn z e i c hne t , dass der Raum ein Zimmer, ein Gebäude oder ein Fahrzeuginnenraum ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r c h g e ke nn z e i c hne t , dass der Strahlungssensor (20) ein Solarsensor ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass wenigstens ein weiterer Sensor auf der Außenseite des Raumes zur Erfassung von meteorologischen Daten angeordnet ist.
13. Verfahren zur Ermittlung des Energieeintrags in einen Raum (10) mit den Schritten: - Ermittlung der Einstrahlung mit wenigstens einem Strah- lungssensor (20) in Richtung wenigstens einer Raumaußenseite (10a, 10b, 10c) , welche wenigstens ein Fenster (12) aufweist,
- Ermittlung der Fensterfläche auf jeder Seite (10a, 10b, 10c) des Raumes (10) und
- Berechnung des Energieeintrags aus der mit den Strahlungs- sensoren (20) ermittelten Strahlungsleistung integriert über die Zeit und der Fensterfläche.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass in jedem Fenster (12) des Raumes (10) wenigstens ein Strahlungssensor (20) angeordnet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass der wenigstens eine Strahlungssensor (20) auf der Innenseite des Fensters (12) des Raumes (10) angeordnet ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, d a du r c h g e k e nn z e i c h n e t , dass der wenigstens eine Strahlungssensor (20) einen Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur der Innenseite des Fensters (12) aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass ein Temperaturfühler zur Erfassung der Innentemperatur des Raumes (10) vorgesehen ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass ein durch Konvektion verursachter zusätzlicher Beitrag zum Energieein- trag aus der aus der Innentemperatur der Scheibe des Fensters (12) und der Innentemperatur des Raumes ermittelten Diffe- renztemperatur, welche über die Zeit integriert wird, und der Fensterfläche berechnet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in jedem
Fenster (12) des Raumes (10) wenigstens zwei Strahlungssensoren (20) angeordnet sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass zumindest eine Datenerfassungseinrichtung zum Erfassen der ermittelten Einstrahlung über die Zeit vorgesehen ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass zumindest eine Auswerteeinheit zur Ermittlung des Energieeintrags aus der mit den Strahlungssensoren (20) über die Zeit ermittelten Strahlungsleistung, und der Fensterfläche vorgesehen ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass der Raum ein Zimmer, ein Gebäude oder ein Fahrzeuginnenraum ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, da du r c h g e ke n n z e i c hn e t , dass weitere charakteristische Daten des Raumes, vorzugsweise das Volumen und/oder Speichermassen und/oder Baustoffcharakteristiken und/oder U-Werte, erfasst werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadur c h g e ke nn z e i c hn e t , dass als charakteristische Daten des Raumes die durch bereits in dem Raum installierte Heizungs- und/oder Lüftungs- und/oder Klimaanlagen bewirkten Energieeinträge über die Zeit erfasst werden.
25. Verfahren zur Ermittlung des Aufheiz- oder Abkühlvorgangs eines Raumes, wobei der Energieeintrag in den Raum nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 24 ermittelt wird und zusätzlich weitere meteorologische Daten über die Zeit erfasst werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass als weitere meteorologische Daten der Verlauf der Sonneneinstrahlung an der Außenfläche des Raumes und/oder der Verlauf der Außentemperatur des Raumes und/oder der Verlauf der Innentemperatur des Raumes erfasst werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 26, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass als weitere meteorologische Daten der Verlauf der Windgeschwindigkeit an dem Raum und/oder der Verlauf der Luftfeuchte an dem Raum und/oder der Verlauf der Oberflächentemperaturen an dem Raum und/oder Luftwechseldaten erfasst werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass der Energie- eintrag und die weiteren meteorologischen Daten über einen
Zeitraum von 24 h oder einen Zeitraum von mehreren 24 -h- Zyklen erfasst werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , dass die weiteren charakteristischen Daten über einen Zeitraum von 24 h oder einen Zeitraum von mehreren 24-h-Zyklen erfasst werden.
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