CN101111721A - 环境控制系统 - Google Patents

Abstract

一种环境设备控制系统，其基于来自居民的需求并以节能方式确保进行一致的温度控制来实现舒适的居住环境。该系统包括用于控制居住空间的设备，以及初始化器，其提供在开始操作所述系统时用于控制居住空间的初始目标值。分析来自居民的舒适性需求，以便将初始目标值修改为工作目标值。初始目标值向节能方向偏移，使得当来自居民的需求被分析后，工作目标值能够总是从节能侧靠近并且稳定在节能侧。过往时间段内的工作目标值被加权，以给出纠正的目标值，该纠正的目标值代替初始目标值用于系统下一操作周期的开始。

Description

环境控制系统

技术领域

本发明涉及用于控制环境设备如空调设备的环境设备控制系统。

背景技术

对于控制环境设备如安装在建筑物内的空调设备，由于全球变暖导致对节能的越来越多的社会关注。现在，BEMS(建筑物和能量管理系统)被提出来优化建筑物内的能量管理。实际上，大多数建筑物管理员不总是考虑到节能和舒适性来适当地操作和管理环境设备。尤其是对于舒适性可能与节能相冲突的建筑物内的封闭居住空间的温度控制，通常的实践是仅仅依赖于惯常的温度设置以及根据居民的要求来调整温度设置。

由于在没有充分地考虑建筑物特性以及居民的偏好的情况下来进行温度控制，因此居住空间不总是被保持在居民感觉舒适的最优的状况下，以及用于空调设备的能量甚至可能被浪费。另外，居民可能抱怨他或她不能自己主动来控制环境。

为了应对上述问题，日本专利公开No.2004-205202提出一种系统，其用于控制温度环境，以反映来自居民的需求，即温度升高需求、温度降低需求以及温度保持需求。该系统被配置为基于环境参数，如周围空气温度、辐射温度、湿度、气流速度、代谢率，以及衣料指标来提供初始目标温度。然后，该系统收集并分析来自居民的需求，以便基于需求分析将初始目标温度修改成工作目标温度，并在每次系统分析需求后，指示将环境温度向工作温度变化或将环境温度保持在工作温度，来满足占主导地位的需求。

在上述系统中，初始目标温度(Ts’)被设置成舒适范围(X)的中心附近，该范围由上述环境参数来确定，并通过使用已知的热舒适预测诸如Fanger舒适方程式来给出。如图5A所示，舒适范围(X)的中心指示预测大多数居民感到舒适的温度(Ts’)。换句话说，该系统总是以带来相当大能耗的温度(Ts’)启动，而不考虑这样的事实：可能有另一启动温度，其能够满足来自居民的主导需求，且同时还节能。在这个意义上，现有技术的系统不足以在专注于节能的同时实现与居民的需求相一致的温度控制。

发明内容

考虑到上述不足，所完成的本发明提供一种环境设备控制系统，其能够基于来自居民的需求并以节能方式进行一致的温度控制来实现舒适的居住环境。根据本发明的系统包括一种设备，其被配置为控制居住环境或封闭的居住空间；以及初始化器，其在启动系统操作时，提供用于由所述设备控制居住空间的初始目标值。所述系统还包括用于收集来自各个居民的舒适性需求的需求收集器、方案设计器，以及设备控制器。方案设计器被配置为给出舒适性需求的分析，以便基于该分析将初始目标值修改为工作目标值，并提供通过设备控制器实现工作目标值的特定控制方案。因此，该系统允许使用向节能方向偏移的初始目标值，使得当来自居民的需求被分析以更新控制方案时，工作目标值总是能够从节能侧靠近并稳定在节能侧，由此实现节能控制。在每一个操作周期的末尾，例如在每天操作的末尾之后，初始目标值被更新，以便为第二天的操作做准备。为此，该系统中包括校准器，以收集在预定的过往时间段内获得的工作目标值。这样收集的工作目标值被加权，以给出纠正的目标值，其代替初始目标值来用于操作系统的下一次启动。因此，该系统能够以纠正的目标值来启动，以便考虑到需求，还有节能实现一致的控制。

校准器可以被配置成获得工作目标值的移动平均值，所述工作目标值的每个在预定的过往时间期间重复的每一个操作周期的末尾被确定；以及校准器可以被配置成给出纠正的目标值，该目标值是连续平均值与预定的偏移量之和。通过适当选择偏移量，初始目标值可以总是被设置到节能侧，以便完成环境友好和节能控制。

优选地，初始化器被配置为收集环境参数，用于估计舒适范围，在该范围内居民被预测会感到舒适；以及设置初始目标值，其在节省设备消耗的能量方向上超出了舒适范围。该初始目标值可以，例如通过使用已知的热舒适预测诸如Fanger舒适方程式来给出，从而向节能侧偏移，同时考虑热舒适。

本发明的这些以及还有其它的有利特征从以下结合附图对优选实施例的详细描述将变得更为明显。

附图说明

图1是图示根据本发明优选实施例的环境设备控制系统的框图；

图2是受上述系统控制的建筑物的环境空间的平面图；

图3是图示上述系统的配置的框图；

图4是图示在环境空间中的每个居民所拥有的个人终端上显示的输入窗口表单的视图；

图5A和5B是分别图示上述系统的操作的图表；

图6A和6B是在上述系统中所使用的用于处理来自居民的需求的相应的表；

图7是图示通过分析需求选择控制方案的图表；

图8是图示由所述系统引起的随时间变化的工作目标温度的图表；以及

图9是图示上述系统的操作的流程图。

具体实施方式

现在参考图1和图2，其示出了根据本发明的优选实施例的环境设备控制系统。在本实施例中，该系统具体被配置为控制空调设备200，以便根据建筑物中封闭的居住空间中存在的居民的需求来管理该空间的温度，当然本发明并不限于此。例如，该系统被引入以用于控制相对大的空间(S)的环境温度，该空间中存在许多居民或人，例如图2所示的建筑物内办公室房间或区域。

所述系统包括服务器100，其通过网络连接到多个个人终端300，例如分别属于居住空间中的居民的个人计算机。如图3所示，服务器100被配置为提供功能单元，所述功能单元被结合起来以在考虑到通过个人终端300收集的居民的需求的情况下来确定用于控制空调设备200的控制方案。所述单元基本包括初始化器10、需求收集器30、环境信息收集器20、方案设计器40以及设备控制器50。所述系统被设计为基于每日运行，即在24小时内启动并停止。就此，初始化器10被配置为在系统操作开始时提供初始目标温度。需求收集器30被配置为以定期间隔，例如1分钟来收集分配给每个终端300的标识码或特定地址，以及在每个终端300提交的居民需求。为此，每个终端300被编程以在其显示器上生成如图4所示的输入窗口表单310，提示居民通过选择单选按钮311、312和313中的一个，并按下按钮314来提交需求，即“升高温度”、“保持温度”或“降低温度”。该输入窗口表单310还包括指示终端300的地址的标签316。

此外，除用于接收居民的评论的文本框之外，输入窗口表单310还包括“舒适感觉”和“热感觉”项，每项七级。各个答案被发送到服务器100，在服务器上进行分析，来建立由建筑物管理员查阅的统计报表。

所述需求与终端地址一起被提交到需求收集器30，然后写入存储在服务器100中的存储装置(未示出)中的需求表70内，以给出与相关联的终端地址有关的需求的时间序列数据。通过参考存储装置中的预定关系表，所述地址可以被用来标识居住空间、空间中的终端位置，以及相关联的空调设备200。环境信息收集器20被配置为从温度传感器22收集房间温度，以及从房间访问管理系统24收集空间中存在的居民数量。

初始目标温度(Ts)通过使用预测平均表决(PMV)指标以及相关联的预期不满意百分率(PPD)指标的Fanger舒适方程式来获得。在该实例中，初始目标温度被定义成在50％PPD处的温度，即在此处，50％的居民被预测对热环境不满意。PPD和PMV两者是分别由下述方程式来定义的函数。

$\mathrm{PPD}=100-95\·e^{-(0.0335\mathrm{PM}{V}^4+0.2179\mathrm{PM}{V}^2)}$

PMV＝f(Ta，Tr，H，V，Icl，M)

其中Ta为周围温度或室温，Tr为辐射温度，H为湿度，V为气流速度，Icl为居民所穿的衣服的衣料指标；以及M为代谢率。因此，50％PPD(初始目标温度)由上述环境参数来确定。在本实施例中，Ta、Tr、H和V由相应传感器来监测，并在环境信息收集器20处收集，Icl和M由管理员考虑到房间或环境空间的特定情况而输入。如图5A所示，这样所确定的初始目标温度(Ts)在节能方向上超出了舒适范围(X)。例如，当需要降温时Ts被设置为28℃。在该实例中，舒适范围(X)由10％或更低的PPD来限定为处于23℃至26℃之间。在图5A中，

注意，除非该系统由管理员来重置，否则上述初始目标温度仅在运行该系统的最开始被确定一次，并且在每次每日操作完成之后被纠正或更新。在每日操作内，初始目标温度被修改成工作目标温度，该工作目标温度以下面将讨论的方式来根据来自居民的需求而变化。

方案设计器40被配置成，通过参考存储在准则表72中的准则、以及参考设备操作信息表74中的空调设备200的操作情况，分析从终端300收集的需求来确定控制方案，其细节将在后面解释。控制方案包括将由空调设备200实现的目标温度、指示升温或降温的操作模式，以及标识该空调设备的设备索引。控制方案存储在控制历史表76中，设备控制器50经常参考该表，使得设备控制器50获取更新后的控制方案，以便产生当前的温度管理信号。该信号通过网络被发送到空调管理器120，该管理器将信号分发到用于由该控制方案所标识的空调设备的本地控制器210，如图1所示。接收到信号之后，本地控制器210提供控制信号给空调设备200，用来升高、降低或保持温度。

现在，参考图5B至9来讨论确定控制方案的细节。当环境信息收集器20收集到居民数量(图9中的步骤1)之后，方案设计器40每一(1)分钟从需求表70读出数据，以获得来自每个终端的有效需求，从而计算分别需要升高温度、降低温度以及保持温度的居民数目。有效需求被定义为在紧邻的前一需求获取周期DAP期间来自每个终端300的最近的需求，如图5B所示，为了易于理解，其中示出了分别来自4个终端或居民“A”、“B”、“C”和“D”的需求，并且升高温度的需求以及降低温度的需求分别被指示为“▲”和“”。为了获得有效需求，方案设计器40将如图6A的表所示的所收集需求的时间序列数据处理成如图6B的表所示的对应的时间序列数据，用以决定每1分钟来自每个终端的需求种类。在这些表中，“1”、“0”和“-1”分别指示升高温度、保持温度和降低温度的需求，而空白单元指示在紧邻的前一需求获取周期DAP内，从对应的终端没有给出需求或响应。注意，方案设计器40被配置为给出需求拒绝周期DRP，该需求拒绝周期对应于其中温度根据控制方案变化的周期，在该需求拒绝周期期间，方案设计器40被禁止产生控制方案，即拒绝需求。所述需求拒绝周期预期近似为30分钟。例如，当在t1时刻(11:00)温度稳定时，方案设计器30从图6B的表中读出11:00时的有效需求，并获得升高温度和降低温度需求的各自的数量，以参考存储在准则表72中的准则来确定控制方案。注意，就此，设备控制器50被配置为以长于确定控制方案的周期(该实例中为一分钟)的间隔读出控制历史表76。换句话说，在需求获取周期DAP期间，控制方案以每1分钟产生，即，直到设备控制器40读出控制历史表40来启动对空调设备200的对应控制。

在本实施例中，所述系统被配置为提供如图7中的图表所表示的准则。所述准则具有第一参考R1和第二参考R2，每个参考是空间中存在的居民总数量中温度降低需求数目的第一比例(P1)以及居民总数量中温度升高需求数目的第二比例(P2)的函数。第一和第二参考R1和R2被设置为具有不同系数或梯度角，使得由第一和第二比例(P1和P2)的直角坐标所限定的直角等腰三角形区域被分成三个单独的区域，即温度下降区域“”、中立区域“■”以及温度升高区域“▲”。所述准则另外包括由第三参考线R3划界的方形中立区域“■”，第三参考线分别对应于第一下限L1(＝10％P1)和第二下限L2(＝10％P2)。

第一和第二参考R1和R2的梯度角根据参数而变化，该参数包括从控制历史表76读出的当前目标温度、从设备操作信息表74读出的空调设备的操作情况，以及由温度传感器所监测的当前的周围温度。如下表所示，准则表72具有这样的格式，该格式指定涉及当前目标温度、周围温度以及设备的操作情况(升温或降温)的不同组合的第一和第二参考R1和R2的角度。

目标温度	周围温度	升温/降温	R1	R2
					27	25-40	降温	75°	45°
26	25-40	降温	60°	30°
					25	25-40	降温	45°	25°
…	…	…	…	…

在接收到这些参数之后，方案设计器40从准则表72中取得第一和第二参考，以建立特定准则(图9中的步骤2)，该准则用于基于从终端300所收集的信息来确定控制方案，即升高、降低或保持温度。基于来自需求表50的有效需求，方案设计器40获得空间中存在的居民总数量中的温度升高需求数目的当前第一比例，以及空间中存在的居民总数量中的温度降低需求数目的当前第二比例，来给出当前第一比例与当前第二比例的当前需求比(图9中的步骤3)。参考所选择的准则来分析当前需求比，从而确定要被加到当前目标温度上的温度变化(ΔT)(图9中的步骤4)。例如，当当前需求在图7的图表中的温度降低区域“”内时，即，当前需求处于第二参考R2以下时，温度变化(ΔT)被设置为“-1”。当在图7中当前需求比在中立区域“■”内时，即在第一和第二参考R1和R2之间，或低于第三参考R3时，ΔT＝0。当当前需求比处于温度升高区域“▲”时，即高于第一参考R1时，ΔT＝1。

然后，方案设计器4 0确定下一工作目标温度(Tn)为当前目标温度(Tc)+ΔT(图9中的步骤5和6)，并检查该下一工作目标温度(Tn)是否处于预定范围之内(Tmin＝Tn＝Tmax)(图9中的步骤7)。如果否，则该下一工作目标温度被重置为当前目标温度(Tn＝Tc)(图9中的步骤8)。否则，该下一工作目标温度(Tn)被证实，并写入控制历史表80以更新该控制历史表。同时，该下一工作目标温度(Tn)被包括进控制方案中，且控制方案被写入控制历史表76(图9中的步骤9和10)，以便根据控制方案来控制空调设备200，从而在空间内实现该下一目标温度。

由于初始目标温度(Ts＝28℃)被设置到超出大多数居民被预测感到满意的舒适范围(X)，上述基于需求的控制给出了工作目标温度，该工作目标温度按照图8中的阶梯线所指示的那样逐步降低，并且实际室温跟随该工作目标温度。相比于初始目标温度(＝26.5℃)被设置在舒适范围(X)内以被图8中虚线所指示的实际室温跟随的情况，利用该结果，室温趋向于稳定在节能侧的更高的温度。

服务器100还配备有校准器60，在每日操作结束后，该校准器从控制历史表76中读出预定时间段，例如过去一周内的最终目标温度，并对该温度进行加权，以便给出纠正的目标温度，其定义了在下一个操作周期开始时所依赖的初始目标温度(图9中的步骤11和12)。实际上，校准器60获得过去一周内的最终目标温度的移动平均值，并给出纠正的目标温度，其为所述移动平均值与预定偏移量之和。所述偏移量对于升温和降温的情况，分别被设置为“+1”和“-1”。初始化器10在每日操作或每个操作周期开始时被激活，以提供如上所确定的初始目标温度，从而如上面所讨论的参考来自居民的需求来控制温度。

Claims (3)

1.一种环境设备控制系统，包括：

设备，其被配置为控制居住环境；

初始化器，其被配置为在开始操作所述系统时，提供用于由所述设备控制所述居住环境的初始目标值；

需求收集器，其被配置为收集来自各个居民的舒适性需求；

方案设计器，其被配置为给出所述舒适性需求的分析，以便基于所述分析将所述初始目标值修改为工作目标值，并提供实现所述工作目标值的特定控制方案；

设备控制器，其被配置为根据所述特定控制方案控制所述设备；

其中，所述系统包括：

校准器，其被配置成收集在预定的过往时间段内获得的所述工作目标值，并对如此收集到的工作目标值进行加权以给出纠正的目标值，所述校准器用所述纠正后的目标值来代替所述初始值以用于所述系统操作的下一次启动。

2.如权利要求1中所述的系统，其中

所述校准器被配置为获得所述工作目标值的移动平均值，所述工作目标值的每个在所述预定的过往时间期间重复的每一个操作周期的末尾被确定；并且给出所述纠正的目标值，所述目标值是所述移动平均值与预定偏移量之和。

3.如权利要求1中所述的系统，其中

所述初始化器被配置为收集有关所述居住环境的所述环境参数，以便估计舒适范围，在该范围内所述居民被预期会感到舒适；

所述初始化器被配置为设置所述初始目标值，其在节省所述设备消耗的能量方向上超出了所述舒适范围。

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