CN101421561A - 用于控制房屋内气候的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制如房屋之类的与周围空间进行热能交换的环境气候的方法。例如借助散热器、地面加热、电加热风扇等向所述环境提供能量。根据本方法，规定用数值表达的舒适度标准，和用数值表达的符合舒适度标准的重要性的权重。随后，考虑供给能量的具体量，且相对于所述具体量提供与舒适度标准吻合的程度的数值表达式和与供给该能量有关的费用的数值表达式。

Description

用于控制房屋内气候的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制与周围空间进行热能交换的环境气候的方法，例如，用于控制建筑物的室内气候，用于控制如冷藏室等被制冷的空间。本发明还涉及根据该方法运行的系统。

背景技术

在房屋内可能装有各种热源，例如电加热器、基于水的供暖系统、加热通风空调(HVAC)系统等。这些热源的特点是它们在对室内气候的影响和使用费用方面是不同的。室内气候受很多变量限制，例如，受平均温度水平；温度分布，即，区别于平均温度的局部温度变化；气流；湿度；CO₂水平；光强度等限制。当然，不将这些变量全部组合也认为同样舒适。

通过将来自一些不同热源的传热进行组合可有效影响和控制各种对舒适度(comfort)起决定作用的变量。因此，可获得更舒适的室内气候。作为例子，位于窗户下的热源适用于消除由冷的窗户所引起的冷气流，但是其对地面温度的作用则可忽略。另一方面，地面供暖系统对消除冷气流贡献很小，而且地面供暖系统的时间常数或惰性使得地面加热完全不适合补偿气候的突然波动。包括加热表面、带有用于强制对流的通风机的电操作加热设备可通过迅速提高温度而非常快地降低相对湿度。除对气候的影响不同外，费用的差异也与不同的热源有关。例如，在很多国家使用电加热器比使用基于水的供暖系统(例如，用燃油锅炉)更昂贵。

在类似方式中，可对冷却环境的各种方法进行组合以提高环境的舒适度。作为例子，可借助基于压缩机的冷却系统降低环境温度。这种系统即使在较热的室外条件下也能使温度快速变化。可通过通风降低温度(要求室外温度低于室内温度)，也可通过热对流、例如通过场地加热/冷却系统降低温度。当然，可通过选择冷却源来影响降低温度所需的费用和除温度外其他如湿度和气流之类的对舒适度起决定作用的变量。

发明内容

本发明的一个目的是改善室内气候，更具体地说，本发明的目的是促进对带有各种热能源的整个系统的改进控制，例如，提供改善的舒适度、较小的温度变化和提高经济性。据此，本发明提供一种方法，该方法以数值项的方式(in numerical terms)规定舒适度标准和符合舒适度标准(compliance with the comfort criterion)的重要性的权重(weight)。考虑供给的能量的具体量，提供相对于所述量与舒适度标准的吻合程度(degree ofcompliance)的数值表达式(numerical expression)和与供给的能量的所述量有关的费用的数值表达式。

由于对符合舒适度标准的程度、符合舒适度标准的重要性的权重及供应设想的能量的费用提供了数值表达式，可提供费用和舒适度之间的令人满意的平衡。

作为例子，舒适度标准与处于环境中的人的舒适感肯定相关。例如，舒适度标准可指定为平均温度与期望温度的期望最大偏差；局部温度、例如窗户或其他隔热不好的建筑物部分附近的温度与环境的平均温度的最大偏差；最大或最小相对湿度；最大期望气流、例如测得的每单位时间的空气交换量；环境中CO₂或其他污染物的最大含量。例如，就与期望水平的最大温度偏差或湿度偏差而言，用数值表达舒适度标准。

吻合程度是期望的舒适度标准和实际达到或可达到的环境条件之间的差异、即环境与期望的气候符合得如何的数值表达。可利用传感器确定实际达到的条件，该传感器确定与被规定的气候变量有关的实际条件，例如，可采用确定环境的实际温度或环境中局部区域的实际温度的温度传感器，或可采用确定实际相对湿度的湿度传感器等。实际可达到的条件可通过例如基于环境模型的理论来确定。作为例子，可根据如环境外侧温度之类的关于周围空间的外部条件的知识、关于环境内热能释放的知识、及与周围进行能量交换的知识建立模型。

例如，为了降低过高的温度或提高过低的温度，通常可通过增加供给环境的热能的量来分别改善吻合程度。因此，通过使用附加能量可获得改善的舒适度。假定能量的价格P_energy高，环境的使用者可能满足于较低的吻合程度，如果P_energy低，使用者可能要求较高的吻合程度，而不采用兼有太高或太低温度的不适的设定或无论哪种舒适度标准的指定。为了能在改善吻合程度所需的费用和使用者在实际开支方面的兴趣之间进行数值比较，我们引用符合的重要性的权重(weight of importance ofcompliance)，以下称为“权重”。权重对于与被规定的舒适度标准不符的不适性是非常重要的。权重是数值，其与吻合程度相乘，因此，其允许使用者根据经济性和便利性的考虑来调整所述方法。

关于能量供给的费用可以是与所消耗的能量有关的直接费用，或者可以是与能量相关、与环境有关的加热或冷却系统的维修和折旧相关的总费用。

本发明的一个目的是在与舒适度标准的吻合和能量费用之间提供最佳组合。由于以数值方式提供吻合程度、重要性权重及供应能量的费用，可通过能辨别出吻合程度、重要性权重、及供应能量的费用的那些数值的数学变换来实现最佳组合。作为例子，对于每一量而言，可通过将所述数值结合到用于描述符合舒适度标准与能量消耗的比值的一个单一数值中来考虑被供应的能量的多个不同量。一种结合所述数值的方式是从费用中减去吻合程度和权重的乘积。对于每一被考虑的供应能量的量提供这种单一数值时，可选择最小数值并可向环境供给相应量的能量。

可通过本身公知的任何一类源头提供热能，例如，通过可接收热水或冷水流并与环境进行热能交换的散热器或地面供暖系统提供热能。可用常规的时间常数减小的电力加热所述源头，借此提高响应温度快速变化的能力。散热器可与通风设备结合，以增强热对流。

在本发明一多源实施例中，能量由第一源和第二源供给。至少一个源头可适于比另一源头更快地提供热能，至少一个源头所提供的热能均匀分布到被加热环境的区域比另外的源头均匀分布的区域大，而且至少一个源头提供的能量价格比另一源头的能量价格低。在该多源实施例中，所述方法可包括以下步骤：规定由每一源头提供的能量的不同的量的组合；对于每一组合，提供运行费用和吻合程度。再者，可对提供符合舒适度标准和能量费用之间最佳组合的所述源头之间的组合和能量供给进行选择。如上面所提到的那样，该最佳量和组合可通过将吻合程度和权重相乘并从能量费用中减去所获得的数值来确定。

可影响气候的物理量的例子是：环境温度；相对湿度或环境空气中的其他物质的浓度，例如，环境中的灰尘、溶剂、细菌等；如通过太阳辐射获得或通过灯等获得的光强度；气流和不平衡(asymmetric)的热辐射。因此，可期望根据热能源影响这些物理量的能力估计所述热能源，并根据所述估计释放能量的所需量。因此，舒适度标准可与这些量的任一种相关，而在一个实施例中，规定了几种舒适度标准，对本发明应用的其他方面也作了必要的修正。

作为一个例子，由于地面供暖系统可对环境给出均匀的能量分布，例如，可从该系统释放所需能量的固定量，或可从位于窗户下的散热器释放能量以避免冷气流，或可通过如地面供暖系统和散热器的组合来释放能量，致使地面供暖系统能释放确保地面温度最低的足够的能量，而其余所需能量由散热器释放。在一类似方式中，使用者可以预期的是，可完全消除任何类型的气流同时可接受达到一定水平的不平衡的热辐射。

在一个实施例中，所述方法包括根据能源的固定顺序选择源头的步骤，该步骤应用于在使顺序中的下一个能源初始化之前供给一定量的能量直到供给了所有需要的能量为止。

环境中气候的控制可包括以下步骤：

a)确定能量的需要量以保证环境温度最低；

b)确认最重要的舒适度标准；

c)确认最适合于所述被确认标准的源头；

d)由被确认的源头供给能量直到完全达到被确认的标准或直到获得一定的吻合程度为止；

e)通过从能量的所需量中减去被分配的能量的量来确定能量的剩余量；

f)重复步骤b，c，d和e，以用于第二最重要标准、第三最重要标准等直到向环境提供了能量的所需量为止。

第二方面，本发明提供一种用于控制环境气候的系统，该系统包括热能供给部分和适用的、基于被规定的舒适度标准的控制装置，以规定舒适度标准和符合舒适度标准的重要性的权重，考虑能量供给的具体量，响应于该量提供符合舒适度标准的程度和与供给所述量的能量相关的费用，并根据所考虑的导致吻合程度、重要性的权重及费用之间的令人满意的平衡控制供给部分。根据本发明第一方面，该系统可包括第一和第二独立应用的热能源，所述处理装置适用于：规定每一源头供给的能量的不同量的组合，对于每一组合提供与舒适度标准的吻合程度和与由每一源头供给的能量的量相关的费用，及根据所考虑的导致吻合程度、重要性的权重及费用之间的令人满意的平衡选择组合。

所述源头在源头能够传递热能的速率方面或在为了传递热能由这些源头所消耗的能量的类型方面可以不同。源头的例子是：地面加热、常规散热器、电风扇、热泵、辐射加热设备等。详细地说，这些源头使用时昂贵的程度是不相同的，且可将它们置于不同部位，例如置于相对于窗、门和与周围空间的热对流而论是特定类型的其他区域。

在一个实施例中，该系统适用于确定对于补偿与周围空间交换的能量和在第一和第二热源之间分配的

来说是必需的热能的量，

所述分配可取决于接收到的来自一组传感器中选取的至少一个传感器信号，该组传感器包括：温度计；太阳入射辐射(incident solar radiation)传感器；如阻力风速计(drag anemometers)之类的风速计；能检测热辐射的任何类型的传感器，例如，带防止太阳直接辐射的防护层的传感器。

在一个实施例中，该系统适用于计算所需的、完全符合至少一个舒适度标准的最低可能的加热费用，例如，适于计算获得环境的期望平均温度的最小开支。在该实施例中，该系统可进一步适用于计算超出的开支(over-expenditure)，此超出的开支表示对于源头的某一具体组合而言其实际能量消耗超出最可能低的加热费用的任何程度。

具体实施方式

以下将参考附图1对本发明一优选实施例作更加详细的说明，图1示出了房屋1，其设有位于窗3下方的电加热器2和基于水的地面供暖系统4，该地面供暖系统带有被嵌入热传导非常迟缓的混凝土结构中的热管5。窗户处设有温度传感器6，墙上设有另一温度传感器7。

我们假定可将传到周围环境的热损失分为两项，即，通过天花板的热损失

和通过窗户的热损失

。箭头8表示

，箭头9表示

箭头10表示

其为由地面加热提供的热量，箭头11表示

通过

和

房屋1与周围空间12进行热能交换。

我们假设，如果我们在房间内的温度均匀(这正是很多对舒适有影响的参数之一)，就可获得满意的舒适度。

现在，如果我们最初假设通过窗户的热损失是零 $({\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Window}}=0),$ 而地面热量

补偿通过天花板的热损失， ${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Floorheat}}={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Ambient}},$ 则在稳定状态下房间内的温度接近均匀分布(T_Window＝T_Wall＝T_mean)。来自地面的热空气朝天花板上升而冷空气朝地面下降，于是使空气混合以确保温度均匀分布。因此，若使窗户处的电加热元件接通电源对改善舒适度不起作用。

但是，现在若通过窗户存在热损失，即，

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Window}}>0,$ 地面供暖系统补偿全部热损失

温度分布不再均匀，即T_Window<T_Wall。但房间内的平均温度((T_Window+T_Wall)/2＝T_mean)不变。

然而，若将热传递分于两个热源上，致使 ${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{\mathrm{Electrical}}\&ap;{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{\mathrm{Window}}$ 和 ${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{\mathrm{Floorheat}}\&ap;{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{\mathrm{Ambient}},$ 则将重新建立温度的均匀分布T_Window＝T_Wall＝T_mean。于是接通电加热器电源就可改善舒适度。但是，这种改善的舒适度是通过使用更贵的热源、即电加热器而获得的。假设电价是每kW P_el，使用基于水的地面加热的价格是每kW P_oil(P_el>P_oil)，则改善舒适度的费用是

(P_el-P_oil)。因此，如果我们能适应温度不均匀分布引起的不适，甚至也许可适应平均温度更低的温度，那么我们可以显著节约一些费用。

如果我们导入不具有最佳平均温度C_mean的不舒适度的权重和不具有均匀温度分布C_uni的不舒适度的权重，可以提出以下最佳化问题：

假定：

$T_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{2}(T_{\mathrm{Wall}}+T_{\mathrm{Window}})$

$T_{\mathrm{Window}}=f_{\mathrm{Window}}({\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Electrical}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Floorheat}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Window}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Ambient}})$

$T_{\mathrm{Wall}}=f_{\mathrm{Wall}}({\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Electrical}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Floorheat}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Window}},{\stackrel{.}{Q}}_{\mathrm{Ambient}})$

公式1

其中T_ref是期望的平均温度。

通过选择权重C_mean和C_uni中的高数值，舒适度比加热价格明显优先，而小的权重却强调加热价格的重要性。解决最小化问题时公式1给出了

和

的最佳值，使舒适度与价格平衡。

在通常包括N个不同热源的系统的情况下，每个热源传递给房间的热量为

可以提出以下最佳化问题：

假定：

$C_{\mathrm{omfort}}=f_{\mathrm{Comfort}}({\stackrel{.}{Q}}_{1,...,}{\stackrel{.}{Q}}_n,\mathrm{Ambient})$

其中Comfort表示房间内的舒适度，其是由独立热源供给的热量的函数，而Ambient表示周围环境的属性。周围环境的属性包括：温度，湿度，风速等。

Claims (17)

1.一种用于控制与周围空间(12)进行热能交换的环境(1)的气候的方法，该环境被供给热能(11，12)，所述方法包括步骤：

-规定用数值表达的舒适度标准和用数值表达的符合所述舒适度标准的重要性的权重；

-考虑能量供给的具体量；及

-提供相对于所述量与舒适度标准的吻合程度的数值表达式和与供给所述能量的量有关的费用的数值表达式。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述用数值表达的舒适度标准、所述符合舒适度标准的重要性的权重、与所述舒适度标准的吻合程度和用数值表达的与供给的能量的所述量有关的费用进行比较。

3.如权利要求1-2所述的方法，其中，将所述用数值表达的舒适度标准、所述符合舒适度标准的重要性的权重、与所述舒适度标准的吻合程度、及与供给能量的所述量有关的费用结合成一个单一的符合所述舒适度和能量消耗的数值标识符。

4.如权利要求3所述的方法，其中，通过从所述费用中减去所述舒适度标准的吻合程度和符合舒适度标准的重要性的权重的乘积，将所述数值表达的舒适度标准、所述符合舒适度标准的重要性的权重、与所述舒适度标准的吻合程度、及与供给能量的所述量有关的费用结合成单一的数值标识符。

5.如权利要求3-4所述的方法，其中，考虑多个供给能量的不同量，其中对于每一被考虑的能量的量，将符合所述舒适度标准与能量消耗的数值标识符进行比较，其中根据所述比较结果选择能量的量。

6.如权利要求4和5所述的方法，其中，所述被选择的量是引起所述舒适度的符合和能量消耗的最小数值标识符的量。

7.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，所述舒适度标准定义以下的至少之一：

-环境的平均温度和期望温度之间的差；

-平均温度与期望温度存在差异期间的持续时间；

-环境的局部区域温度和环境的平均温度之间的期望的最大温差。

8.如上面任一项权利要求所述的方法，其中，所述能量由第一源和第二源供给，所述方法还包括：

-规定由每个源头供给的能量的不同量的组合；

-为每一组合提供与所述舒适度标准吻合的程度和与每一源头供给的能量的量有关的费用的数值表达式；及

-根据与所述舒适度标准吻合的程度的数值表达式和与供给能量的所述量有关的费用的数值表达式选择组合。

9.如权利要求8所述的方法，其中，根据以下至少之一评价每一源头：

-其减少气流的能力；

-其减小不均匀热辐射的能力；

-其改变湿度的能力；及

-其改变环境温度的速度。

10.一种用于控制环境气候的系统，所述系统包括热能供给部分和适用于根据如权利要求1-9中所述方法进行操作的控制装置。

11.如权利要求5所述的系统，其中，所述能量供给部分包括第一和第二可独立应用的热能源，所述处理装置适用于：

-规定由每个源头供给的能量的不同量的组合；

-对于每一组合提供与所述舒适度标准吻合的程度的数值表达式，及与从每个源头供给的能量的所述量有关的费用的数值表达式；及

-根据与所述舒适度标准吻合的程度的数值表达式和与供给的能量的所述量有关的费用的数值表达式选择组合。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述源头在这些源头能传递热能的速度方面是不同的。

13.如权利要求11-12所述的系统，其中，所述源头在这些源头用于传递热能所消耗的能量的类型方面是不同的。

14.如权利要求11-13所述的系统，其中，由第二源头提供的热能的量费用比由第一源头提供相同量的费用高。

15.如权利要求11-14所述的系统，其中，所述源头根据处于环境内的位置的不同而不同。

16.如权利要求11-15所述的系统，其中，该系统适用于确定对于补偿与周围空间进行交换的能量和在所述第一和第二源头之间分配

来说是必需的热能的量，

17.如权利要求16所述的系统，其中，根据接收来自至少一个能测量与所述被规定的舒适度标准有关的物理量的传感器的信号进行所述分配。

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