CN102301288A - 用以控制能量消耗效率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制器，其经配置以与建筑物自动化系统交换信息且包含各种可执行程序，所述可执行程序用于在由建筑物的HVAC系统利用的装备上确定实时操作效率、模拟预测的或理论上的操作效率、比较所述操作效率，以及随后调整一个或一个以上操作参数。所述控制器操作以调整所述HVAC系统的操作效率。由所述控制器利用的调整模块可基于各种HVAC装备接近其自然操作曲线而并行且在线操作的可能性而修改所述HVAC装备参数。另外，所述调整模块可包含允许所述控制器视需要更有效地作出类似的将来的调整的自学方面。

Description

用以控制能量消耗效率的系统和方法
优先权主张
本申请案主张2008年10月31日申请的第61/110,353号美国临时专利申请案的优先权，其主题的全部内容并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于控制能量消耗的系统和方法，且更具体来说涉及用于通过建筑物自动化系统(BAS)来控制供暖、通风和空调(HVAC)系统的能量消耗的系统和方法。
背景技术
已通过具有软件可执行算法的BAS实现监视和控制建筑物的能量消耗，尤其是HVAC系统的能量消耗，所述软件可执行算法并入有对应于装备操作特性的恒定数值。HVAC系统的装备可包含(但不限于)冷却器、泵、冷凝器、过滤器、空调器、加热器等。由BAS利用的值通常在HVAC系统的安装期间被编程，且根据本地气候和周围条件而设置。可通过针对本地气候和周围条件的预期改变而对BAS进行人工评估和重新编程来周期性地改变这些值。
建筑物和HVAC系统的本地气候、周围条件和/或操作特性可随着时间而改变。举例来说，如果以具有不同特性的泵来替换泵，HVAC系统的操作特性可能改变。更高级类型的BAS可利用优化软件来控制HVAC系统。此类型的BAS将继续调整一个或一个以上操作参数，以使得每一件装备的操作处于或接近其最佳状态，以基于相等边际性能原则用最小的总能量消耗来满足建筑物冷却负载。然而，优化软件关注每一件装备，使得优化软件中所使用的数值常数可能仍周期性地需要人工调整。这通常通过以下步骤来实现：重新计算装备的操作特性、修改优化软件、重启BAS、观察HVAC系统的操作效率，以及重复这些操作直到HVAC系统的总操作效率总体上在所要效率内为止。
发明内容
一种与建筑物自动化系统(BAS)通信的控制器可经配置以自动控制HVAC系统的操作效率。所述控制器通过同期调整用于HVAC装备的操作参数、验证所述调整以及调用自学特征，而利用与预测的或理论上的信息进行比较的实时操作数据来自动确认并调整建筑物的能量消耗，以使将来类似调整所需的时间最小化。举例来说，所述控制器与BAS协作以在主要能量需求和最小的能量浪费之下监视所述HVAC系统，进而改进建筑物能量管理系统效率。
在本发明的一个方面中，一种用于与BAS通信的控制器包含：通信接口，其可操作以同期及时地在所述控制器与建筑物自动化系统之间交换信息，所述所交换的信息携载对应于布置于HVAC系统中的装备的操作参数的数据；优化模块，其具有用于基于所述装备的当前操作状态来确定所述HVAC系统的操作效率的可执行指令；模拟模块，其具有用于确定所述HVAC系统的根据所述HVAC装备具备的安装规格计算出的预测操作效率的可执行指令；比较模块，其与所述优化模块和模拟模块进行数据通信，所述比较模块经配置以确定操作效率是否相对于预测操作效率而低于所要阈值；以及调整模块，其与所述比较模块进行数据通信，所述调整模块经配置以将用于改变用于所述HVAC系统中的至少一件装备的操作参数中的至少一者的指令发射到所述建筑物自动化系统，所述调整模块进一步经配置以在比较器在稍后的时间确定所述操作效率相对于预测操作效率而低于所要阈值时在自学方面处理所述用于改变的指令。
在本发明的另一方面中，一种用于控制与建筑物自动化系统通信的HVAC系统的操作效率的方法包含以下步骤：(1)同期及时地在控制器与建筑物自动化系统之间交换信息，所交换的信息携载对应于布置于HVAC系统中的装备的操作参数的数据；(2)基于所述装备的当前操作状态来确定HVAC系统的操作效率；(3)确定HVAC系统的根据HVAC装备具备的安装规格计算出的预测操作效率；(4)比较所述操作效率是否相对于预测操作效率而低于所要阈值；(5)调整用于HVAC系统中的至少一件装备的操作参数中的至少一者；(6)将所述至少一个调整发射到建筑物自动化系统；以及(7)触发所述控制器的自学特征，以用于在稍后当所述操作效率再次低于所要阈值时自动重新调用所述至少一个调整。
附图说明
下文参看以下图式详细描述说明性和替代实施例。
图1是根据本发明的实施例的用于与建筑物自动化系统通信以控制HVAC系统的操作效率的控制器的框图；
图2是展示根据本发明的实施例的由控制器作出的用以借助于建筑物自动化系统而调整HVAC系统的装备参数的决策的控制器的另一框图；
图3是说明根据本发明的实施例的一种用于通过使用图1的控制器来调整HVAC系统的装备参数的方法的框图；以及
图4是关于由图1的控制器控制的建筑物中的HVAC系统的功率效率曲线的曲线图。
具体实施方式
在以下描述中，陈述了某些特定细节以便提供对本发明的各种实施例的透彻了解。然而，所属领域的技术人员将了解，可在没有这些细节的情况下实践本发明。在其它例子中，不一定详细展示或描述与HVAC系统相关联的众所周知的结构和个别HVAC组件、建筑物气候或环境控制系统、建筑物自动化系统和各种过程、参数及其操作，以避免不必要地混淆对本发明的实施例的描述。本发明的至少一个实施例包含自学或自校正过程，其与BAS通信以接收选定的输入且随后自动调谐或以其它方式优化建筑物的HVAC系统的一个或一个以上方面。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附权利要求书中，词语“包括”应在开放的包含性意义上加以解释，即“包含(但不限于)”。
恒定速度冷却器、泵以及塔的能量性能在各组件尽可能接近全负载操作时最大化。因此，冷却器设备操作策略大体上涉及为设备装备定序，以使在全负载下操作的在线装备的数量最小化。在全变速冷却器设备中，当装备在特定部分负载(其取决于当前外部条件)下操作时获得最佳性能。在每一变速组件在外部条件(压力或温度)改变时实现最大效率时的负载的曲线被称为所述组件的“自然曲线”。处于最佳状态的系统使用控制方法来为装备定序，以使得设备操作总是尽可能接近所述设备中所含的装备的自然曲线。
通常操作冷却水分布泵来维持特定分布差压。有时此压力设定点基于由系统供应的负载上的阀中的一者或若干者的最大位置而复位。然而，最小压力设定点的使用可导致浪费相当大的泵浦能(pumping energy)，尤其是在按照连续的日常计划表操作的系统中频繁的低负载周期期间。本文中所描述的控制器可提供分布泵控制，所述分布泵控制在于不同条件或不同时间下可具有不同临界流段的较大分布电路中尤其有效。应注意，HVAC组件和/或装备在其制造商的推荐极限内操作。控制器持续监视冷却的和冷凝器水流动和流动改变的速率以及冷凝水温度，且限制操作以确保这些参数仍然处于由制造商针对被施加控制的特定装备而推荐的范围内。
所述控制器经配置以与BAS交换信息，且包含各种可执行程序，所述可执行程序用于在由建筑物的HVAC系统利用的装备上确定实时操作效率、模拟预测的或理论上的操作效率、比较所述操作效率，且随后调整一个或一个以上操作参数。在一个实施例中，所述可执行程序控制变速环路冷却设备来实现功率利用系统(例如，建筑物范围内HVAC系统)的能量使用的减少。另外，控制器或由控制器利用的可执行算法中的至少一者或一者以上可与特定系统的相等边际性能原则相称，所述相等边际性能原则与托马斯·哈特曼(ThomasHartman)的第6,185,946号美国专利以及著有相同标题“用相等边际性能原则来设计有效的系统(Designing Efficient Systems with the Equal Marginal Performance Principle)”的文章(ASHRAE杂志，第47卷，第7期，2005年7月)中得到的教示一致，其中所述两个参考的全部内容都以引用的方式并入本文中。哈特曼描述与例如(但不限于)离心泵、风扇以及变速驱动离心冷却器等HVAC系统装备的操作相关联的数值常数。所述数值是基于更多HVAC装备接近其自然操作曲线而并行且在线操作的可能性。
在一些实施例中，BAS可与全变速系统通信，以使用自校正计算机可执行指令来自动补偿对装备或操作条件的改变。控制器可有利地提供一种自动化技术来替换用以调谐HVAC系统的当前人工调谐方法。在其它实施例中，控制器自动校正BAS的操作，以补偿HVAC装备特性或外部建筑物负载特性的改变(其可归因于建筑物和本地气候)。
在一个实施例中，控制器是与BAS进行数据通信的自学控制器。所述自学控制器利用实时能量使用监督、能量分析、模拟、比较性分析以及验证技术来允许控制器自确认和自调整能量使用。自调谐特征可并入有可执行指令，所述可执行指令是在功率利用系统(例如，冷却水设备(CHW))内被处理。控制器接收来自HVAC系统的数据，以用于基于针对例如所使用的总系统千瓦(TSkW)和系统冷却输出吨数(吨)(所述两者在结合时提供对能量效率的度量)等值而计算出的系统输入来模拟HVAC系统的操作。所述控制器还可处理来自HVAC系统的数据，以提供预测的能量效率(千瓦/吨)。
在一个实施例中，控制器的自学或自调谐方面可包含用以优化HVAC系统的哈特曼算法的修改，以使得通过将控制输出与模拟输出进行比较而处理控制输出以实现HVAC的自适应行为，从而修改(例如，以增量方式调整)优化算法值或检验实时操作效率与模拟(例如，预测的或理论上的)操作效率。控制器的自学或自调谐方面可被称为神经网络过程。
所述神经网络过程包含用于检测HVAC系统的输入、输出、控制以及信息点之间的设置模式中隐藏的关系的可执行指令。所述可执行指令提供“训练阶段”，其中基于功率消耗的最佳或最优效率，将控制参数的输出与如由模型确定的所要输出或界定的输出进行比较。指示减小最佳或最优功率消耗效率的错误或其它模式的模型计算输出传播回到或循环返回到控制模型的输入，从而施加并调整数值或加权值以减少计算错误，以使得获取指示与系统的最佳能量消耗相关联的最佳功率使用系统模式的预测。
控制器可包含专用于谨慎任务的一个或一个以上处理器，例如，一个处理器在已确定对HVAC系统的调整之后可并入有“训练阶段”，另一处理器可将实时数据与预测的或理论上的或最优情况数据进行比较，且又一处理器可评估系统中的错误并建议减少错误的方式。在一个实施例中，自调谐包含两个阶段，“训练阶段”，之后是“检验阶段”。在第一个“训练阶段”期间，对含有输入和所要输出两者的样本数据(来自系统模型)进行处理，以优化实际控制输出，直到实现所要能量利用效率为止。在验证或“检验阶段”期间，错误不再传播回到输入参数，而是用来预测或输出能量相关的事件或序列值，以充当针对在建筑物自动化系统中操作的各种装备的输入。
如果在实际控制与系统模型之间发生较大偏差，那么系统将自动改变回到“训练阶段”，直到系统被正确地优化为止，随后再次切换回“检验阶段”并留在“检验阶段”，直到再次发生偏差为止。这提供适应于HVAC系统中的改变以及适应于极端环境改变的自学控制器。
图1展示包含分别与HVAC系统14和控制器16进行数据通信的建筑物自动化系统(BAS)12的能量管理系统或控制器10。BAS 12与HVAC系统14之间的数据可包含(但不限于)用于HVAC系统的装备的能量相关的操作数据18，其中此类操作数据18影响HVAC系统14的整个能量效率。控制器18包含可布置于不同的程序或模块中且甚至可由独立的处理构件处理的可执行指令。在一个实施例中，控制器18包含优化模块、比较模块22、模拟模块24以及调整(例如，自学和/或自调谐)模块26。控制器10包含可呈可执行指令、程序、软件等形式的各种模块，所述模块协同交互以调谐或自调节不同类型的HVAC装备的操作参数，以考虑到消费者需求、恶劣的气候条件以及其它情况中的改变。举例来说，控制器10可交互以向BAS 12通信，BAS 12又向HVAC系统14通信，以调整泵的流动速率、调整风扇的转动速度、调整空调单元的温度设置等。
优化模块20可呈由上文所论述的哈特曼参考所教示的可执行指令的形式。举例来说，优化模块20接收实时操作数据以基于HVAC系统14的装备的当前操作状态来确定HVAC系统14的实时操作效率28。模拟模块24接收可呈计算出的输入的形式的用于运行模拟场景的数据30。举例来说，模拟模块24包含用于确定HVAC系统14的模拟(例如，预测的、理论上的或最优情况)操作效率32的可执行指令，所述模拟操作效率32是根据对应于用于HVAC系统14的个别件装备的预定的操作范围的安装规格值计算或算出。
由比较模块22接收相应的效率28、32，以用于确定待施加到HVAC系统14的一件或一件以上装备的调整值34。在一个实施例中，比较模块22与优化模块20和模拟模块24进行数据通信，且比较模块22经配置以确定HVAC系统14的实时操作效率28是否相对于模拟操作效率32而低于所要阈值。
由调整模块26接收调整值34，以开发或界定新能量相关的序列值36，以用于改进HVAC系统14的实际能量利用效率并满足或至少接近模拟操作效率32。如上文所论述，调整模块26可包含用于基于序列值36而自学所述调整值34和自调谐所述BAS 12的可执行指令。在一个实施例中，调整模块26作为神经网络处理模块而操作，其包含具有用以使用本地或远程计算机处理而执行各种功能的指令的计算机可读媒体；而远程处理可(举例来说)经由本地网络或因特网。调整值34可由数学倍增器进一步处理、加权和/或标准化。
图3说明用于用控制器16(图1)来处理来自BAS 12的数据的方法100。在步骤102处，从BAS获取关于HVAC系统的实时操作数据。控制器包含可操作以同期及时地在控制器与BAS之间交换信息的通信接口。如先前所陈述，经交换的信息包含对应于布置于HVAC系统中的装备的实时操作参数或特性的数据。在步骤104处，接收实时操作数据或将其输入到优化模块(例如，上文所描述的优化模块)中。在步骤106处，基于由优化模块处理的可执行指令并在主要装备操作和气候条件下来计算HVAC系统的个别装备效率和总实时操作效率。
与此同期或同时，在步骤108处，由模拟模块来接收用于确定HVAC系统的模拟(例如，预测的、理论上的或最优情况)操作效率的数据。所述数据可呈对应于个别件HVAC装备的预定操作范围的安装规格值的形式。在步骤110处，模拟模块确定HVAC系统的模拟操作效率。
在步骤112处，比较模块对决策门进行处理，以确定实时操作效率是否处于模拟操作效率的所要阈值内。如果产生肯定的回答(例如，“是”或“真”)，那么将其传送到BAS且不作调整。在产生否定的回答(例如，“否”或“假”)的情况下，那么实时操作数据连同HVAC系统的装备的安装规格数据一起传递到调整模块。因此在步骤114处，确定用于一件或一件以上HVAC装备的调整值，并起始或开始自学或训练过程。
在步骤116处，使用验证模块来测试或验证所述调整值。在此步骤中，处理调整值或装备参数，以确定其是否达到所要总HVAC系统操作效率。换句话说，对HVAC装备进行改变实际上对整个系统能量消耗且因此对HVAC系统在通过BAS通信时的总操作效率产生改进。如果效果是积极的，那么将调整值发射到BAS以供永久实施到HVAC系统中，当然直到由于气候或其它变化而需要另一调整为止。
图3展示用于来自图2的调整模块的过程图200的实施例。在步骤202处，确定并设置用于HVAC装备的装备调整值。在步骤204处，调整模块通信以将指令提供到验证模块，以测试或以其它方式验证所述调整值。在步骤206处，控制器确定是否验证通过调整。如果未通过，那么由调整模块对调整值复位，以改进HVAC操作效率。如果验证通过所述值，那么将这些值提供到BAS以用于其实施。
图4展示依据通过BAS而传送的数据的HVAC系统的24小时功率效率曲线，其中所述HVAC装备通过具有如上文所述的可执行指令的控制器的实施例持续控制。所述HVAC系统在24小时周期中以波动的效率操作，因为控制器通过至少以增量方式调整HVAC装备的一个或一个以上参数而优化能量消耗。
尽管已说明和描述了本发明的优选实施例，但如上文所述，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出许多改变。因此，本发明的范围不受优选实施例的揭示内容限制。而是，本发明应通过参考所附权利要求书来确定。

Claims (7)

  1. 本发明的实施例中要求的专利权或权利要求如下：
    1.一种控制器，其用于与建筑物自动化系统通信，所述控制器包括：
    通信接口，其可操作以同期及时地在控制器与建筑物自动化系统之间交换信息，所交换的信息携载有对应于布置在HVAC系统中的装备的操作参数的数据；
    优化模块，其具有用于基于所述装备的当前操作状态来确定所述HVAC系统的操作效率的可执行指令；
    模拟模块，其具有用于确定所述HVAC系统的、根据所述HVAC装备所具备的安装规格而计算出的预测操作效率的可执行指令；
    比较模块，其与所述优化模块和模拟模块进行数据通信，所述比较模块经配置以确定所述操作效率是否相对于所述预测操作效率而低于所要阈值；以及
    调整模块，其与所述比较模块进行数据通信，所述调整模块经配置以将指令发射到所述建筑物自动化系统的用来改变用于所述HVAC系统的至少一件装备的所述操作参数中的至少一者，当所述比较器在稍后的时间确定所述操作效率相对于所述预测操作效率而低于所述所要阈值时所述调整模块进一步被配置以处理所述指令来改变自学习方面。
  2. 2.根据权利要求1所述的控制器，其进一步包括验证模块，所述验证模块经配置以确定对用于所述HVAC系统的至少一件装备的所述操作参数中的所述至少一者所作的调整是否导致所述HVAC系统在向所述建筑物自动化系统通信时的想要的总效率。
  3. 3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述HVAC系统包含变速冷却器冷却系统。
  4. 4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述HVAC系统的所述预测操作效率包含对应于所述HVAC装备的自然操作曲线的信息。
  5. 5.一种用于控制与建筑物自动化系统通信的HVAC系统的操作效率的方法，所述方法包括：
    同期及时地在控制器与所述建筑物自动化系统之间交换信息，所交换的信息携载有对应于布置在所述HVAC系统中的装备的操作参数的数据；
    基于所述装备的当前操作状态来确定所述HVAC系统的操作效率；
    确定所述HVAC系统的、根据所述HVAC装备所具备的安装规格计算出的预测操作效率；
    比较所述操作效率是否相对于所述预测操作效率而低于所要阈值；
    调整用于所述HVAC系统的至少一件装备的所述操作参数中的至少一者；
    将所述至少一个调整发射到所述建筑物自动化系统；以及
    触发所述控制器的自学特征，以用于在稍后当所述操作效率再次低于所述所要阈值时自动重新调用所述至少一个调整。
  6. 6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括验证对用于所述HVAC系统的至少一件装备的所述操作参数中的所述至少一者所作的调整是否产生所述HVAC系统在向所述建筑物自动化系统通信时的所要的总效率。
  7. 7.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述HVAC系统的所述操作效率包含确定变速冷却器冷却系统的所述操作效率。
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