CN102252363B - 控制采暖/换气/空调（hvac）系统的方法 - Google Patents

控制采暖/换气/空调（hvac）系统的方法 Download PDF

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Abstract

控制采暖/换气/空调(HVAC)系统的方法，通过确定从移动点到固定点的移动时间、并确定所述固定点处的HVAC系统的调节时间，来控制采暖/换气/空调(HVAC)系统。如果所述移动时间小于所述调节时间，则将所述HVAC维持在开启状态，否则，将所述HVAC维持在关闭状态，其中，利用楼宇热模型来确定所述调节时间。

Description

控制采暖/换气/空调(HVAC)系统的方法
技术领域
本发明涉及采暖/换气/空调(HVAC)系统的领域，更具体地，涉及节能可编程HVAC系统。 
背景技术
采暖/换气/空调(HVAC)系统消耗大量的能源。通常，利用一个或更多个恒温器来自动地控制使用环境的加热和制冷操作。可以使一个恒温器位于中心，或者可以使多个恒温器分散。通常，HVAC系统的操作遵从事先设定的温度范围。 
因为许多使用环境有时并未被人占据，这会浪费能源。可以利用运动检测器来确定占据情况。然而，将使用环境加热或者制冷到期望的温度所需的时间相当多，可能比使用环境被人占据的时间更长。 
可以使用操作时间表。然而，当占据期间是不规则的、或者时间表频繁地改变时，这是不切实际的。时间表也不解决节日、假期、旅行、无计划的请假以及对占据惯例的其它改变。从而，时间表仅是占据情况的最佳的推测。 
有一种系统使用基于从位置知晓移动电话(location-aware mobile phone)得到的目的地-家移动距离的及时制热/制冷，来对手动及可编程的家用恒温器进行增强，Gupta等人，“Adding GPS-Control to Traditional Thermostats：An Exploration of Potential Energy Savings and Design Challenges，”Book Pervasive Computing，Volume 5538/2009，pp.95-114，May 2009。仅当居住空间的占有者抵达该空间所需的时间少于使该空间达到舒适温度所需的时间时，系统才开始居住空间的加热或制冷。 
该系统使用具有GPS功能的设备(例如，电话)来确定用户当前的位置，并使用公开可用的地图系统(MapQuest)来计算从用户的当前位置到待调节空间的时间。 
为了计算使空间达到舒适温度所需的时间，该系统使用存储在加热/制冷查找表中的经验数据。该表针对给定的室内与室外温度的组合，存储有将空间加热或制冷到舒适温度所需的时间。各个表特定于特定位置处安装的加热/制冷系统的类型。该系 统缺乏一般性，因为必须根据测量结果来针对每个住宅单独地构建。此外，有限的时间期间的观测数据通常不能涵盖将来可能会遇到的室内与室外温度的所有可能的组合。 
该系统的另一缺点是总是要重新计算并且比较移动时间与调节时间。由于具有GPS功能的移动设备通常由电池供电，设备与被调节空间之间的经常的通信会很快耗尽移动设备的电池，并且数据通信量也可能导致昂贵的费用。 
发明内容
一种控制采暖/换气/空调(HVAC)系统的方法：确定从移动点(site，也称为场所)至固定点的移动时间，并且根据预先计算的楼宇热模型来确定固定点处的HVAC系统的调节时间，由此控制采暖/换气/空调(HVAC)系统。 
如果移动时间少于调节时间，则HVAC维持在开启状态，否则，将HVAC维持在关闭状态，其中，利用楼宇热模型来确定调节时间。 
空间占据者携带的移动设备与安装在被调节空间处的楼宇HVAC系统根据导致最小数据流量的协议进行通信。 
附图说明
图1是本发明实施方式的用于控制HVAC系统的系统的示意图； 
图2A是本发明实施方式的控制HVAC系统的流程图； 
图2B是本发明实施方式的控制HVAC系统的状态转移图； 
图3是本发明实施方式所使用的条件逻辑的表； 
图4A至图4B是作为移动时间的函数的环境条件的图。 
具体实施方式
本发明的实施方式提供操作采暖/换气/空调(HVAC)系统的方法。该方法使用人抵达被控制环境的移动时间以及HVAC系统的调节时间。 
图1示出固定点(工作点)101以及位置x 211处的移动点102，例如，所述移动点正在向固定点移动。移动点包括去往固定点的人。移动点可以是汽车、公共交通工具、自行车、或者携带移动通信设备170的人。设备170包括移动收发器171、移 动定位器172以及移动处理器173。 
固定点101包括HVAC系统150，其连接至固定处理器151以及与移动收发器171相似的固定收发器152。在最简单的形式下，HVAC系统包括锅炉，或许还有空气循环设备。 
固定点与移动点可以通过网络160(例如，因特网)利用收发器152与171彼此通信。 
可以根据移动点102的位置x 211来估计移动点抵达固定点101的移动时间λ221。可以利用定位器172(例如，全球定位系统(GPS))或者移动通信设备(例如，车辆中的移动电话)来检测位置，并且由移动电话服务提供商提供移动点的位置。定位器也可以是与固定位置蓝牙信标(BlueTooth beacon)通信的蓝牙设备。关于移动时间，在可经由网络获得的情况下，也可以考虑移动点与固定点之间的交通与天气条件。 
如图2A所示，固定点根据环境条件229以及楼宇热模型228来估计230调节时间Θ231。环境条件可以包括固定点处的外部温度以及直射阳光照度。假定这些是恒定的或者缓慢变化的，否则，对于每天的变化以及每年的变化，可以根据天气预报对其进行调整，并且天气预报也可以通过网络容易地得到。 
楼宇热模型228表示楼宇针对环境条件(例如，外部温度、阳光)以及HVAC系统150主动地将热量移入或移出楼宇的操作的热响应。楼宇热模型的普通类型是灰箱模型，在该灰箱模型中，将楼宇模型化为热回路。楼宇热模型可以包括许多因素，例如，通过窗户的热增益和传热、对流与传导、遮光和隔热。楼宇热模型针对由HVAC系统150提供的任何量的热，连续地追踪楼宇的状态，并且可以预测楼宇的内部温度的今后的演变。为了计算调节时间Θ231，使用楼宇热模型来确定HVAC系统150满功率地工作时的内部温度的今后演变。将内部温度达到舒适阈值(例如，70F)所需的时间确定为调节时间Θ231。 
将移动时间221与调节时间231之间的差240用于确定如何维持HVAC系统150的操作250。 
如图2B所示，HVAC维持在关闭状态261，直到满足调节时间约束262。然后，HVAC维持在开启状态263，直到满足调节时间约束264。即，如果移动时间短于调节时间，则HVAC维持在开启状态，否则，HVAC维持在关闭状态。移动时间221 基于从先前的移动模式得到的概率信息，并且考虑移动方式、时刻、日期以及星期。移动时间也可以基于公共交通的时间表。可以在固定位置或移动位置确定移动时间。可以定期地发送移动时间，或者固定点或移动点可以明示地发起移动时间的通信。 
图2A示出本发明的方法。定期地检测210移动点的位置x 211。该位置可以用于估计220到固定点的移动时间λ221。可以使用阈值时间ε239来避免降低效率的开启状态与关闭状态之间的过快转换。 
图3示出本发明的实施方式所使用的用于调度固定点与移动点之间的通信的逻辑。在该实施方式中，无规律地进行调度通信，固定点或者移动点可以发起通信。图3示出HVAC系统当前维持的状态301、场所302、以及基于移动时间λ、调节时间Θ、以及阈值时间ε的约束303。 
只要在场所之间有通信，移动点就向固定点传送移动时间λ221，并且固定点向移动点传送调节时间Θ231以及HVAC系统当前维持的状态301。固定点存储λ并且移动点存储Θ。对于HVAC的各个当前状态301，当约束303针对HVAC系统的相应状态变为真时，场所302发起通信。 
如分别在图4A与图4B中所示的，应注意的是，当HVAC系统开启时，系统可以工作在各种模式。例如，如果行程较长，则HVAC可以在较长的期间中缓慢地调节环境。即，HVAC系统的输出缓慢地“升高”。这将能源消耗减到最小。如果移动时间改变，调节时间可以相应地改变。如果移动时间较短，HVAC可能需要全力工作，以达到期望的内部环境条件。即，调节时间与移动时间大致成比例。从而，在一个实施方式中，确定从移动点到固定点的移动时间，根据移动时间设置HVAC系统的操作。 
在另一个实施方式中，该方法的多个实例可以协调，以使移动点的通信量最少。例如，与移动点关联的人可以是在固定的工作场所以及固定的住处。在该情况下，可以针对各个场所，根据人是去上班还是回家来确定移动时间以及调节时间。 
HVAC系统可以用于能被多人占据的使用环境。在这种情况下，针对每个人确定移动时间、调节时间以及条件逻辑，并且当任何一个条件表示应该时，HVAC维持在开启状态，并且当所有的条件表示不应该时，HVAC维持在关闭状态。 
在N个人共享同一环境、但是对于环境条件有不同的偏好的情况下，固定点可以针对每个占据者计算单独的Θ(Θ1，Θ2，Θ3...ΘN)，并且各个移动点可以发送单独 的λ，即(λ1，λ2，λ3，...λN)。此外，HVAC系统可以针对各个占据者(ε1，ε2，ε3...εN)使用单独的阈值时间ε。当任一调节时间(Θ1，Θ2，Θ3...ΘN)大于其对应的移动时间(λ1，λ2，λ3，...λN)时，HVAC转换至开启状态。当ΘN加上阈值时间εN小于所有对应Ns的移动时间λN时，HVAC转换至关闭状态。 
应注意的是，该方法也可以用于其它设备，例如照明设备(其中Θ＝0)、热水器、咖啡壶以及冷水机。对于台式计算机，调节时间是激活计算机所需的时间，并且Θ是常数。 
从而，在一般情况下，该系统是下述使用环境中的、或用于下述使用环境的任何设备：当人在该使用环境中时，需要维持开启状态，并且当该使用环境没有被占据时，需要维持在关闭状态。在下述情况时该系统在节能方面是最有效的：调节时间显著大于零，从而可以通过在占据者到达之前开始空间调节来确保占据者的舒适，同时，调节时间少于较长期间的占据者的移动时间，从而可以在较长期间中安全地保存能量。 
尽管通过优选实施方式的示例描述了本发明，但应理解的是，可以在本发明的精神和范围内做出各种其它调整与变更。因此，所附权利要求旨在涵盖所有落入本发明真正的精神与范围内的所有这种变形与变更。 

Claims (25)

1.一种控制采暖/换气/空调（HVAC）系统的方法，该方法包括以下步骤：
确定从移动点到固定点的移动时间；
确定所述固定点处的HVAC系统的调节时间；以及
如果所述移动时间少于所述调节时间，则将所述HVAC维持在开启状态，否则，将所述HVAC维持在关闭状态，
其中，利用楼宇热模型来确定所述调节时间，其中，在处理器中执行上述各步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节时间包括阈值时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动点包括移动收发器以及移动定位器；所述固定点包括固定收发器；所述处理器包括所述固定点处的固定处理器以及所述移动点处的移动处理器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固定点与所述移动点通过网络进行通信。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述移动定位器是全球定位系统。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述移动定位器是与固定位置蓝牙信标通信的蓝牙设备。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述移动定位器是移动电话，并且由移动电话服务提供商提供所述移动点的位置。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述移动点的位置来确定所述移动时间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动时间取决于交通以及天气条件。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动时间基于从先前的移动模式得到的概率信息，并且考虑移动方式、时刻、日期以及星期。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，根据公共交通的时间表来确定所述移动时间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述固定点或者所述移动点处确定所述移动时间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，定期地将所述移动时间发送至所述固定点。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，应所述固定点或者所述移动点的请求发送所述移动时间。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节时间是固定的。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，对于每天的变化以及每年的变化，根据天气预报来调整所述调节时间。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述固定点处的内部环境条件调整所述调节时间。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节时间使所述HVAC系统的性能最佳化。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，仅当以下任一约束为真时，所述移动点以及所述固定点传送所述移动时间以及所述调节时间：
HVAC是关闭状态，场所是固定的，并且Θ＞λ；
HVAC是关闭状态，场所是移动的，并且λ＜Θ；
HVAC是开启状态，场所是固定的，并且Θ＜λ–ε；
HVAC是开启状态，场所是移动的，并且λ＞Θ+ε；
其中，λ是所述移动时间，Θ是所述调节时间，并且ε是阈值时间。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节时间与所述移动时间大致成比例。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，存在N个的多个移动点，其各自向所述固定点传送移动时间λ，并且当任一所述移动时间λN小于所述调节时间Θ时，所述HVAC系统开启，并且当所有的所述移动时间λN大于所述调节时间Θ加上阈值时间ε时，所述HVAC系统关闭。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述固定点针对N个的多个移动点中的每一个估计单独的调节时间ΘN。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节时间缓慢地变化。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型考虑通过窗户的热增益及传热、对流及传导、遮光和隔热。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述调节时间满足热性质约束。
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