CN102985882A - 能量底盘及能量交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用能量底盘装置的系统、方法和装置，所述能量底盘装置被设计成使用采集能量或者将能量转至需要能量的位置的装置来感测、收集、储存和分配来自可获得能量的位置的能量，例如但不局限于HVAC（加热、通风和冷却）系统。该系统、方法及装置还可以与下一代地热热量交换器一起使用，该下一代地热热量交换器实现较高的能量采集效率并且提供比当前的地热交换器更强大的功能。

Description

能量底盘及能量交换装置

本申请要求于2010年5月5日递交的美国临时申请第61/331,525号的优先权的利益。

发明领域

本发明涉及建筑、加热与冷却系统（HVAC）系统和电气系统，特别地，涉及用于感测和收集自然可再生能源的局部源以能够通过使用完全集成的工厂组装好的装置来储存能量和重分配能量从而有效地满足建筑需要的系统、方法及装置。

背景及现有技术

能量消耗成本和一些问题

商业建筑中的能量消耗是用于运作和维持建筑的成本中非常昂贵的部分。例如，商业建筑具有昂贵的空气调节与加热需求，贯穿建筑的整个使用期的这种需求通常多达用于建设的最初成本的两倍之多。多年以来，试图减少能量消耗导致了建设成本上的大幅增加，而在短期内建设成本不能被收回。

现今美国使用的典型的商业建筑加热与冷却系统是变风量（VAV）系统，典型配置的该系统不能利用可持续能源。建筑占美国使用的能源的40%并且几乎完全用昂贵且损坏环境的矿物燃料供以燃料。存在一些使这些HVAC系统能源效率低、危险、不安的问题，并且这对采用新技术造成了障碍。这些问题包括：

·在建设成本上的压力鼓励所有者通过购买不昂贵的、不经济的HVAC系统来保持前期成本很低

·浪费由冷却装置等排弃的多余能量，而不是将其移至需要的位置或者将其储存起来供今后使用

·由于不充分隔热造成透过壁的高的能量运动—在常规系统中，壳体不是解决方案的一部分，然而在本发明中，可以将其制成能量储存装置

·不断地重新加热和重新冷却建筑体而不是将其保持在一定的温度

·建造过多的、效率低的系统，其可以被制造成更小

·不能使用局部能源（例如，太阳、身体热量，等等）

·当加热系统效率最低时加热建筑，以及同样地当冷却系统效率最低时冷却建筑—利用能量储存，其可以扭转成提高效率

·建立地热系统通常更加昂贵并且其功能未被设计为最大限度地提高效率，这样就转而减少了这些系统的使用

发展中的迅速变化的替代能源技术被彼此分开地创建，以实现该技术的功能，在没有定制集成的情况下，并不共同工作。这些通常被证明是不可靠的或者失败的。很少有工程公司具有研究和集成创新的解决方案的资源，并且因而通常不将其设计到客户建筑中。在Carrier标准化被描述在美国专利第2,154,263号中的A/C单元之前，这是建造空气调节单元的方式，在该专利中Willis Carrier获得了用于机动轨道车的标准制冷单元的专利。定制建造过程非常昂贵并且限制了市场使用，而标准化的产品降低了成本并且扩大市场。

虽然我们了解到，存在局部可用的大量能源（例如身体热量、照明热量、计算机热量、太阳热量、太阳光伏电池、地热，等等），但是美国未能利用局部能量采集（即替代能源或者再生能源）的大量使用。于2009年9月，根据美国能源部，替代能源占低于美国使用的能量的1%。为了利用局部能量采集，建筑必须具有能够感测不同类型的能量的可用性并且将该能量运输到需要位置的系统。

为了使该装置有成本效益，其必须被足够廉价地制造，从而与常规的HVAC系统相比，其费用能够被负担得起。另外，为了使替代能源设备负担得起，其必须具有比试图使用的间歇性能源（例如，日落、人离开建筑、灯被关闭，等等）更长的操作范围（即，使用能量储存）。这种间歇可用性可以通过储存热能被延伸，并且这转而增加了在能量采集设备中进行的投资的回报。

因此，将能源感测、采集、储存、运输及控制设计为能够将众多来源与众多用途连接的单个系统，这样能够高效应用替代能源并且增加在所需设备中进行的投资的回报，以使其负担得起HVAC设备的当前市场成本阈值。

地热热泵/热量交换器成本及一些问题

典型的地热热泵热量交换器涉及多种配置，包括垂直闭合循环、水平闭合循环、“紧身（slinky）”循环、池塘循环（pond loop）、热桩，等等，但是一般在应用于系统时，这些配置具有以下特征：

1．应用单一的流体回路（例如，垂直循环不与水平循环结合）

2.在单一的流体回路中的流体以恒温被混合和传递到全部加热/冷却装置。这是在颁布给Ross的美国专利第7,571,762号和第7,407,003号之中的情况，在这两项专利中的装置歧管均使所有的地热孔一起混合流体。由于流体和终端热量传递装置之间的温度差的减少，导致这种温度的混合削弱了其传递热量的能力。温度差越大，热量传递就越大，并且相反地，温度差越小，热量传递就越小。

当前的地热热量交换器设计未被优化成提供较冷的水用以支持可感测的冷却装置，例如辐射冷却板和冷梁。相反，它们将较高温度和较低温度的水混合在一起，这样降低了给这些装置提供可感测的冷却的能力。另外，当前的地热热量交换器设计未被配置成通过混合/结合不同的热量交换器配置来使储存能量以供今后使用的能力最大化。

现有技术包括由多种类型的可选择的HVAC设备例如Nishman美国专利第4,375,806号构成的组合，该专利将地热系统与太阳能热水板和传感器系统、电路、以及控制器组合在一起，其在效率高时仅使用太阳能电池板和地热系统相结合。Nishman所要求权利的是一种基于两个装置的（仅）实时效率简单地打开或者闭合两个源的系统（而不是随着时间改善整个系统的效率）。本发明超越Nishman，其中两个源被单独控制，以能够按可变水平利用每一个源来优化整个系统。

Ross的第7,571,762号和第7,407,003号专利提出了允许地热循环相互并行地管道输送的地热歧管。该方法不考虑被分开用于不同用途的循环；其将所有的输入端和所有的输出端都组合到两个管道系统中（一个进，一个出）。本文推出的发明使用最优循环的自动选择，并且可以同时地使用处于不同模式的循环，可以同时地使用不同类型的循环，或者为了效益如所期望的而混合循环流体。与Ross不同的是，本发明具有同时有效地加热和冷却的能力。通过热泵或者直接同时从专用的热的热能储存器和专用的冷的热能储存器可以实现这一目标。

在1982年11月23日颁布给O'Connell的美国专利第4,360,056号教导了一种具有单独泵送的多个地热循环的系统。该系统仍将所有的地热流体结合或者混合到仅具有一个进口和一个输出端的单个流体回路（用管道输送的）系统中。其不考虑被同时使用的多个温度流体和提高能源效率的功能。

在1999年8月10日颁布给Dosanion的美国专利第5,934,369号描述了一种用于预测热能储存器/热板的充能负载和充能时间的方法和控制器。与Dosani不同的是，本发明超越这一现有技术。热能储存器的预测和了解是有用的，然而它仅在与建筑负载预测、峰值/非峰值的电成本比结构以及源和热沉的控制相结合时才被完全地利用，如本文的发明所涵盖的。

在1998年7月14日颁布给Drees的、标题为“Thermal storage systemcontroller and method（热储存系统控制器及方法）”的美国专利第5,778,683号指示了一种具有最高比结构的利用率；其不使热储存器必需用于减小系统尺寸和用于提高可持续能源的可用性，而本发明这样做。Drees推出一种利用率结构的数据结构，并且确定了使用热储存器相对非热储存器的相对成本效益，以及还确定可以使用多少热储存容量。其不涵盖Dosani发明的热容量和充能/放能率预测/测量。由于其不结合这些输入，因此其不能达到最高效率的能源使用解决方案。本发明具有创建最高效率的能源系统的附加功能。本发明还包括系统设计功能，以通过预测热储存性能连同其它的允许系统被恰当地定尺寸的因数的矩阵一起来增强效率节约，并且不在尺寸过大、效率较低的HVAC系统上浪费最初成本投资。

需要一种解决现有技术以上问题的技术方案。

发明概述

本发明的主要目标是提供用于简单实施的、多功能的、工厂生产的、独立的（除源/热沉/储存器和管道之外）、完全集成的自动化加热与冷却系统的系统、方法及装置，该自动化加热与冷却系统包含建筑HVAC系统所需的方法和装置，其中建筑HVAC系统包括但不局限于用于一个建筑或者建筑组的自动化实时和未来能源要求预测，以更加有效地满足建筑能源要求。这种能源管理能力使用具有能源感测、负载预测、采集、储存、管理和运输的自动功能的装置，以提高建筑加热与冷却系统的效率同时简化建筑能源系统的设计和建设。与当前可用的替代方案相比，该系统需要更少的定制工程、更少的现场建设时间和复杂度。

本发明的第二目标是提供用于将计算机技术应用于储存能源的系统、方法及装置，其使用热沉和计算机技术来控制热量交换器、制冷器、传感器、电动机、泵、阀、以及从多个局部源采集能源所需的能源收集装置。

本发明的第三目标是提供系统、方法及装置，以有效地将能源从产生地运输到所需位置而没有给建设过程带来大量的复杂度。这包括给系统装配屏幕，这允许其对实施过程来说容易被定制。

本发明的第四目标是提供用于机械控制和计算机控制的流体混合确定以及包括用于控制能源的运输和交换的方法和装置的互连功能和温度控制系统的系统、方法及装置。该功能促进了普通及不普通能源的混合和使用所需的选择、互连和转换，从而更加有效地使用该能源。所述功能还促进了包括太阳能收集器、地热单元、能量回收单元、燃料电池和使用所述源并且允许该来源被混合以提高能量采集的效率所需的能源的其它来源的普通和不普通的装置的选择、转换和互连，以使用连接至多个输出端的多个输入端，以及提供在能源协同作用上的显著提高。

本发明的第五目标是提供用于提供下一代地热热量交换器的完全集成的且自动化的系统、方法及装置，在单个实施方式中该下一代地热热量交换器利用混合不同类型的循环的能力，以给一些循环充入热能而其它的循环同时地被释放热能，以及将能源储存在循环中，并且其将系统的智能和控制合并到可以被连接至任何形式的闭合循环地热热泵系统的标准产品中。该地热热量交换器可以被用作对能源底盘(chassis)装置（即，包括计算机、软件、基于制冷剂的热量传递装置例如热泵、循环泵以及变速传动装置、互连管道、传感器和控制装置，以及管理和控制电子和HVAC系统所需的电子连接件、逆变器、开关、保险丝和配线等等的完全中央加热、冷却及能源管理系统）的可选补充，或者处于独立的配置中以显著地减少实施具有同等功能的地热系统所需的定制工程、建设时间和建设复杂度。

本发明的第六目标是提供用于提供下一代地热热量交换器的系统、方法及装置，该下一代地热热量交换器使用新兴的计算机技术、传感器和控制技术、先进的加热与冷却概念以及为了技术的结合和集成将智能和控制平台封装到标准产品中的功能，技术的结合和集成提高了地热系统的性能同时维持或者减少了系统的安装成本。

本发明的第七目标是提供用于提供下一代地热热量交换器的系统、方法及装置，该下一代地热热量交换器可以潜在地实现总冷却负载的大约60%到大约80%的建筑显冷却(sensible cooling)，而没有消耗能源的压缩机的帮助并且可以被用作总建筑能源系统的一个部件，或者被用作独立装置/单元。

本发明的第八目标是提供用于管理和测量短期及长期的按照混合配置（即在同一系统中多种类型的源/热沉的组合）的热能储存器的系统、方法及装置，除建筑构造（结构）内的能量储存器之外，其经由嵌入式液体循环加热管道利用不同形式的地热热量交换器配置，该嵌入式液体循环加热管道还可以与其它的热储存器组合，例如相变材料/冷储存器、冷水储存器、相变材料/热水储存器，等等。本发明考虑与本领域中已知的所有热能储存器以及任何未来能量储存器的集成。热能储存器的使用时移了从环境中采集的能量，因此当原始源不可用时（例如，太阳落下，不生成余热，人们已经离开建筑，等等）可以使用所采集的能量。这允许多个能量源被合并，以使当一个源不充足或者太昂贵地实施以满足全负荷要求时，可以使用多个源，来减少建造使每一个源可随时处于可用的整个系统所需的资金量，从而可以按照预计的系统需要和优化计算来可靠地使用它。

本发明的第一实施方式提供一种用于确定在加热与冷却系统中包括储存器的多个不同的热能量源和热沉的最优化使用的方法。步骤包括确定储存在可用于被系统提取或者利用的一个或多个热源中的热能；确定可用于被系统利用的一个或多个热沉的热能容量；确定一个或多个热源、热沉和储存器的热能储存率和耗散率；分析预定时间段上的热储存容量；预测储存周期上的热能损益和热存留；将可用的热源与目标参数进行比较；选择热源和热沉中的至少一个；以及启动所选定的至少一个热源和热沉的使用。

第二实施方式提供一种地热热量交换器系统，该系统包括多个不同的独立的地热流体源和热沉以及独立循环或者分组的多个地热热量交换器流体回路，以允许多个不同的地热流体源和热沉被同时用作独立源和热沉，用来作为热、冷或者其它温度的流体源或者热沉。独立的地热流体源中的一个或多个可以被专门用作热储存器，并且热储存器被设计成储存能源达预定时间段。多个独立的地热流体源中的一个或多个可以被配置成作为热循环或者冷循环来优化性能，以及多个独立的地热流体源中的每个的流体的流被单独地连接以通过一个计算机控制器控制来使用和混合。在一个实施方式中，地热热量交换器与用于预定使用的选定的多个独立的地热流体源中的一个或多个连接。

本发明的第三实施方式提供预制的中央能源设施，用于建筑、社区或校园中的空气调节、加热、通风、电力、或者其中的任何组合的处理和运输。能源设施包括用于热流体和电能的多个源和热沉的多个连接件、各自具有独立的流体温度的多个独立的流体线路、用于控制流体运动和混合的与多个独立的流体线路中的至少一个连接的计算机控制阀和泵、以及用于感测温度、流速、能量转移速率和总能量转移中的至少一个的至少一个计算机集成传感器。能源设施还可以包括在预定的储存期间内专门用于热储存器的热流体、冷流体和预定温度的流体中的一个或多个的至少一个混合式流体热沉和混合式流体源中的一个或多个。能源设施还可以包括连接至多个流体源和热沉中的至少一个的热泵、连接在热泵和多个流体源和热沉中的至少一个之间的控制阀、连接在热泵和多个流体源和热沉中的至少一个之间的传感器、以及被连接以用来将流体从多个流体源和热沉中的至少一个泵送至热泵的泵，并且可以包括具有分开的供给管线和返回管线的两端式分配集管，其将暖流体引导至两端式分配集管的一端以及将比暖流体较冷的冷流体引导至两端式分配集管的另一端。

能源设施还可以包括装配式橇装单元或者模块化可运输单元中的一个或多个，其中预制的中央能源设施是可扩缩的并且可以通过添加第二模块化可运输单元、家用热水源、额外的加热单元、额外的冷却单元、额外的热能储存器单元、额外的传感器、额外的泵、额外的阀等等中的至少一个来扩展预制的中央能源设施。

关于计算机系统，能源设施可以包括用于基于使用量来计量和计费加热与冷却供给的一种或多种算法、由计算机执行以可控制地混合流体和将流体移进和移出多个流体源和热沉中的一个或多个以及移进和移出多个电力源中的一个或多个的人工智能软件；用于配置和设置的集成软件；以及用于跟踪性能数据和与设计者和建筑操作者共享性能数据的软件以及互联网或者局域网连接。

通过附图中示意性示出的优选实施方式的以下详细描述，本发明的其他目标和优势将是明显的。

附图简述

图1示出了用于控制商业建筑中的加热与冷却操作的具有计算机的能量底盘系统的示意图。

图2示出了按照本发明的优选实施方式的用于商业建筑的具有计算机（即管理感测、独立路由、能源的选择和使用的系统，包括计算机、软件、循环泵和变速传动装置、互连管道、电子连接件、逆变器、开关、保险丝、配线、传感器和控制装置等等，用于管理和操作该系统）的能量交换单元的示意图。

图3是按照本发明的优选实施方式的能量系统管理计算机接口和数据库的示意性框图。

图4是显示与源/热沉和系统负载接口连接的能量交换单元的智能独立流体选择的框图。

图5是按照本发明的混合式能量采集和热储存管理的框图。

图6是示出了多个不同的独立热循环的示意图。

图7是按照本发明的一个实施方式的显示系统负载数据的框图。

图8示出了分区的各种用户输入和设定点。

图9示出了用于不同类型的源和热沉的多种收集数据。

图10示出了不同的系统数据和设备规格的一个实施例。

图11示出了能量管理计算机数据类型和不同的最优化目标参数。

图12示出了建筑和系统控制装置以及设计方法、工程和软件数据的实施例。

图13是显示系统负载信号的实施例的示意性框图。

图14是显示最优化控制方法的一个实施例的示意性框图。

图15是显示过程最优化的过程流程图。

图16是显示源和热沉的最优化的过程流程图。

图17示出了按照本发明的优选实施方式的用于设计能量底盘装置和能量交换装置的数据的实施例。

图18是按照本发明的优选实施方式的示出了设计最优化的一个实施例的过程流程图。

优选实施方式的描述

在详细地说明本发明的公开的实施方式之前，应当理解，由于本发明能够具有其它的实施方式，因此本发明并不局限于其对示出的特定布置的细节的应用。另外，本文使用的术语用于描述而不是限制的目的。

以下是在描述和附图中使用的用于识别部件的参考数字的清单：

1热流体回路                  21地热交换器供给

2热流体源                    22垂直闭合循环地热热量交换

3能量底盘                    27交换计算机

4冷流体回路                  23水平的“紧身的”闭合循环

5冷流体源                    30地热热量交换器

6温度指示计和传感器          29热量交换器

7流量计                      31能量系统管理计算机

8三向控制阀                  32实时负载/需求

9隔离阀                      33负载的历史跟踪

10可变容量循环泵             34到负载预测的用户输入

11基于流体到流体制冷的热泵   35互联网/局域网接口

12来自能量交换装置的“暖”   36建筑和系统传感器

侧的供给                     37建筑和系统控制装置

13到能量交换装置的“暖”侧   38历史、实时和预测数据的数

的回路连接                   据库

14基于计算机的控制系统      39数据库、系统更新

15来自能量交换装置的“冷”  41能量交换单元

侧的供给                    42控制器

16到至能量交换装置的“冷”  43流体控制阀

侧的回路连接                44流体混合器

17可变容量循环泵            46热储存器单元

20地热交换器回路

以下是贯穿详细的描述和所附权利要求使用的术语的定义的清单。

冷(coolth)：“冷”的名词形式；反义词是暖

能量需求：改变建筑温度、湿度、空气质量和电力的设定点的用户驱动要求

能量库亦称热沉：能够从一个与之处于热接触的目标吸收能量的环境。热沉可以被用于储存或者消散热量。在某种情况下，热沉可以成为一个用于储存热能量或者冷能量然后可以根据需要将其提取出来用于使用的贮存器。

收支平衡日期：通过节能、税收鼓励等等，直到装置付清的年数。

冷能量有时被用作方便描述冷却为能量的一种形式（如热量）的语言（这是普通用法，但是由于冷是缺少热能，因此技术上不正确）。

能量底盘装置：包括计算机、软件、基于制冷剂的热量传递装置例如热泵、循环泵和变速传动装置、互连管道、传感器和控制装置、以及管理和控制电子系统和HVAC系统所需的电子连接件、逆变器、开关、保险丝和配线等等的完整的中央加热、冷却及能量管理系统。

能量交换装置：管理感测、独立路由、能源的选择和使用的系统，包括计算机、软件、循环泵和变速传动装置、互连管道、电子连接件、逆变器、开关、保险丝、配线、传感器和控制装置等等，用于管理和操作该系统。

能量源：一种可以提取出能量的装置或者材料。该能量可以是任何类型的能量，包括冷能量、热能量或者电能。

设备规格：响应时间、BTU或者TON容量、微分精度、效率、可控性、流速、能量流速、电力使用、残留物产生、冷却机制和有效性等等。

混合源/热沉：在同一系统中的多种类型的源/热沉的组合，例如，紧身的循环水平地热孔场所在的同一系统中的垂直孔地热场，或者与太阳能热板结合的冷却塔，其与闭合循环垂直孔场结合，等等。

HVAC：加热、通风以及空气调节。

互联网/局域网：对互联网的访问，其可以是有线或者无线的。

独立连接：来自系统中的每一个源的流体或者去往系统中的每一个热沉的流体可以被单独地或者混合地使用，但是不需要如现有技术一样混合。

负载：待完成的操作（即加热、冷却、照明、插入装置的操作）。建筑负载指的是建筑所需的用来维持温度、湿度、空气质量的能量或者满足电子装置（即“插塞载荷”）要求所需的能量的量。

模块化：可以通过添加或者替换单元、与其它的单元结合来放大或者缩小尺寸，并且可以被运输。

运行成本：能量成本、维护成本、部件更换成本、服务成本等等。

最优化的：基于一个或多个最优化特征的最优化。

最优化目标参数包括：最初成本、运行成本、生命周期成本、收支平衡日期、能量使用、环境影响、热舒适性、室内空气质量等等。

最优化系统性能：当用户加权参数被确定，并且随后能量系统按照这些参数成功地操作且具有最小标准误差限。

最优化选择：匹配用户加权参数，具有最小标准误差限。

性能特征：不同的能量类型中的每一个的能量容量、能量衰减与增益、能量耗散率、效率、环境影响等等。

预制：现场外制造成的一种预先集成的、可运输的、可安装的单元。

系统数据：设备识别和规格、管道输送规格、辐射规格、导管规格等等。

热储存器：一种用于储存热量或者冷能量例如，地热、相变、建筑构造等等的材料、装置及物质。

用户输入：包括针对一个或多个加热和冷却区的期望温度、期望湿度、预测或者根据计划的占用率、设备操作时间表、通风等等。

本发明涉及用于感测和收集自然可再生能源的局部源的系统、方法及装置，以通过使用完全集成的工厂组装好的装置来储存能源和重分配能源，以有效地满足建筑需要。该装置使用采集或者转换能量、储存能量以及将该能量移动到需要能量的位置的设备。装置还可以包括可选的设备，该可选的设备包括下一代地热热量交换器，该下一代地热热量交换器实现较高的能量采集效率并且提供比当前的地热交换器更强大的功能。

虽然本发明被描述用于加热和冷却内部空间，但是能量底盘装置可以被用于提供电力。例如，能量底盘装置可以与多个电力源连接，例如输电网络、太阳能光伏发电器、风力发电机等等。在本实施例中，软件将跟踪和预测电力使用以及提供来自每一个源的电力的成本，然后确定使用哪个电力源来最佳地满足各种电力负载。

图1是具有用于控制商业建筑中的加热与冷却操作的计算机控制器的能量底盘系统的一种优选实施方式的示意图。如所示，能量底盘装置附件3包括从加热负载连接的热流体回路1、连接到加热负载的热流体供给2、来自该负载的冷流体回路4以及去往冷却负载的冷流体供给5，具有用于监控热和冷输入与输出的温度并且产生相应的温度信号的温度传感器和指示计6，该相应的温度信号被馈送至计算机控制器14。能量底盘装置附件还包括来自能量交换装置的“暖”侧的供给连接12和去往能量交换装置的“暖”侧的回路连接13。类似地，冷侧包括来自能量交换装置的“冷”侧的供给连接15和去往能量交换装置的“暖”侧的回路连接16。

热流体供给线路2和冷流体供给线路5中的每一个还包括用于监控流出能量底盘装置的流体的流量的流量计7，以及用于将热流体或者冷流体直接提供给负载而没有制冷系统操作并且允许计算机控制器14监控和控制进入和离开能量底盘装置附件3的流体的可变容量循环泵17。每一个热流体回路1和冷流体回路4均包括隔离阀8、11。提供一种三向控制阀8用于选择性地控制流体进入和离开每一个独立的基于流体到流体制冷的热泵11。该系统可以被配置成根据正被加热和冷却的建筑而具有不同数量和尺寸的热泵11。在热泵11的热侧和冷侧中的每侧上，三向控制阀8和热泵11之间的流体线包括温度传感器6、隔离阀9以及在隔离阀9之间的输入线上的可变容量循环泵10。

图2示出了具有用于商业建筑的计算机控制器27的能量交换单元系统的示意图。能量交换单元是能量底盘装置的系统部件。图2中示出的实施方式示出了连接至地热循环的能量交换。这是一种可能的配置并且不应该被用于限制所要求的本发明的范围。

图2中示出的地热能量交换单元的热和冷输入线路2、5以及输出线路1、4类似于图1中示出的配置，包括温度传感器6及去往和离开热量交换器29并且在热量交换器29和垂直闭合循环地热热量交换器32和水平“紧身的”的闭合循环地热热量交换器33之间的可变循环泵8。

能量交换装置是能量底盘装置的独立部件，其提供能量转移、转换和混合功能，以允许能量的多个源被同时使用。在一个优选实施方式中，能量底盘装置包括能量交换装置以及对热泵加热与冷却系统常见的热泵、泵、阀、管道等等。为了提高系统的协同作用，能量交换装置确定并使用满足负载需求所需的源的成本效益最好的、实时及预测性的组合。然后能量交换装置混合和传递来自选定源的能量供以使用，可能经由多个装置。该能量交换装置可以被用于获取所需的能量，或者管理多余能量的储存。

现今共同发明人对ASHRAE90.1-2007标准完成的对建筑的研究，示出了随着使用依据本发明的能量底盘装置，作为整体建筑的中心部件，可以减少大约35%到大约50%的建筑能量消耗，并且在建设成本上只增加很少或者没有增加。为了实现这一节能标准，需要能量底盘是一种标准化产品来代替传统的方法，这样试图在每一个建设项目内创建独特的、独一无二的现场建设系统。

存在一个关于这种策略的前例。一种创建标准化产品的类似方法呈现了关于空气调节设备的技术方案并且降低了设计和安装空气调节设备的复杂度，空气调节设备归功于成立空气调节设备的最大制造商Carrier公司的Willis Carrier先生。他制造可批量销售的标准化空调的努力通常被认为是制造可靠且负担得起的空气调节设备。实现这一目标部分上是由于他排除了对定制设计和现场组装增加的可靠性的需要。利用这一策略，他成功地建立了Carrier公司。本发明的能量底盘装置被设计成在一过程中制造，该过程包括与完全在建造场所集成的解决方案相比减少制造成本并且提高质量的技术。

能量底盘装置由若干个主要部件组成，主要部件可以包括基于制冷剂的流体到流体热泵或者冷却装置，其连接至能量运输系统，该能量运输系统由嵌入在混凝土中的PEX管或者类似的水运输装置和/或中空型混凝土组成，其可以使用加压气流来运输能量，被设计成与辐射加热与冷却及热储存相配合。可以使用一些现有的和一些并不完美或者还未想象到的多个不同的能量采集装置，其具有软件模型，该软件模型在一些情况下预测多个不同装置的性能并且提供优化整个系统所需的数据。

图3是按照本发明的一个优选实施方式的能量系统管理计算机接口和数据库的示意框图。如所示，能量系统管理计算机与实时负载/需求数据32、历史负载跟踪数据33、用于用户为每一个区输入负载预测的用户输入端34（图8）、用于存储历史、实时和预测数据、到系统、安装者、用户和/或所有者的故障或者警报通知输出的数据库38、以及用于存储与系统更新、修补程序、扩展包相关的数据的存储器39通过接口连接。能量系统管理计算机还包括与建筑传感器36和控制装置37的接口以及用于接收实时信息例如天气预报的互联网/局域网接口，以及与电率结构35的接口。

能量底盘装置计算机控制器包括具有参数优化模型的数据库，参数优化模型可以被执行为确定将优化用户确定的参数用于系统设计的部件、部件特征以及尺寸。该步骤减少了为不同的建筑和环境条件恰当地配置系统所需的定制工程。能量底盘装置还包括板框式热量交换器或者用于直接热量传递而没有使用制冷系统的类似设备，以及如图1中示出的具有变频驱动的循环泵、控制阀和传感器。

图4是智能独立流体选择系统的框图，示出了具有基于计算机的控制器42的能量交换单元41，其与源和热沉A、B和C连接，并且流体混合器44和流量控制阀43与一个或多个负载X、Y和Z连接，在示出的实施例中为三个负载。

图5是示出了从不同的源（例如但不局限于太阳A、地热B、室外环境C、身体热量D和其它源E）采集的混合能量送至图4中示出的能量交换单元41、以及去往和来自热储存器单元46的框图。

参考图1和图2，每个热泵11被用管道输送以通过不同的控制阀序列、热流体供给线路1/回路2、冷流体供给线路4/回路5、暖地热流体供给线路12/回路13以及冷地热流体供给线路15/回路16进入下一个流体流。额外的定制温度流体是可选的。能量底盘装置包括计算机控制器，用于选择性地安置控制阀8、9并且控制循环泵10的速度，以允许每一个热泵模块11单独地操作，以将热量从任何流体移动到任何其它的流体。

当流体温度处于冷却建筑空间所需的范围时，装置可以使用板框式热量交换器，仅通过操作循环泵10且不操作制冷系统来提供来自冷地热流体15和16的冷却流体，从而极大地减少能量消耗并且提供能量效率。另外，该系统可以管理不同的热能储存装置，来将热量添加到不同的流体路径或者从不同的流体路径提取热量。

基于计算机的控制系统在实时基础上确定当前的加热与冷却的当前的能量需要和预计的能量需要。实时地，使用互联网，该系统包括电流电力比结构和峰值/非峰值比结构以及自发的电力负载脱落或者重新安排。对预计的能量需要的预测部分地取决于通过互联网连接提供的天气预报和累计的建筑/天气性能响应历史中的一个或者多个。能量底盘系统包括人工智能软件，该人工智能软件根据能量以及环境影响的现在成本和预测成本中的一个或多个，使用天气数据和建筑性能响应历史来优化能量的使用。然后，基于这些负载和不同的流体流的温度，控制系统确定从哪个单独的流体流或者流体流的组合来提取热量或者将热量存放在哪个单独的流体流或者流体流的组合，以优化能量成本。

由于考虑到当前和预计的能量需要和流体温度，控制器还与下一代地热热量交换器（下面描述的）保持通信，以优化其操作。控制系统还记录所有的操作参数以允许系统调试和优化以及为故障排除提供与设备故障相关的信息，并且记录操作参数以允许系统调试和优化以及为故障排除提供与设备故障相关的信息。图9示出了用于不同类型的源和热沉例如建筑物、地热、相变等等的多种收集数据。

图6是示出了连接至中央设施的多个不同的独立的地热循环的示意图。该热量交换器采用将系统的智能和控制安装成一种标准化产品，该标准化产品可以被连接至任何形式的闭合循环地热热泵系统。该热量交换器使用新兴的计算机、传感器和控制技术、先进的加热与冷却概念以及将智能和控制平台封装到标准化产品中的功能，以提高地热系统的性能同时维持或者减少系统的成本。建筑显冷却通常相当于总冷却负载的大约60%到大约80%，其可以被潜在地实现而没有消耗能量的压缩机的帮助。热量交换器可以被用作总建筑能量系统的一个部件，或者作为独立部件使用。

一种典型的地热、热泵、热量交换器系统涉及多种仅使用以下项中的一个的整体流体回路配置：垂直闭合循环、水平闭合循环、“紧身”循环、池塘循环等等，但是一般在应用于系统时，这些配置将具有以下特征：

第一，应用单个的流体回路配置。例如，垂直循环通常不与水平循环结合。第二，在单个的流体回路中的流体一般以恒温被混合和传递到全部加热/冷却装置。通过流体和终端热量传递装置之间的温度差的减少，温度的混合削弱了其传递热量的能力。温度差越大，热量传递就越大，并且相反地，温度差越小，热量传递就越小。

本发明的方法、系统及装置通过包含多个独立循环的地热热量交换器、多个独立的变速循环泵、控制阀来将流体流量引导至“暖”或者“冷”地热流体集管（可选为流量能够保持独立）、以及用于基于温度差和质量流速或者从每一个循环和暖与冷地热流体集管中的简单的热量计来测量流体温度和热流量的传感器，解决所述典型地热系统的降效特征。基于计算机的控制装置包括被设计成优化和管理流量和温度的软件。图7是示出了按照本发明的一个优选实施方式的高效系统负载数据的一个实施例的框图，数据包括实时负载、预测负载数据以及当前的和历史的系统性能数据。

如图7所示，该系统确定实时负载和预测负载，并且使用负载数据与系统性能数据和历史系统性能数据相结合来确定有效系统负载。该系统使用例如设备负载、占用率、湿度等外部环境条件以及用户输入等等的信息，来确定实时负载。用于确定预测负载的信息包括信息例如历史天气数据、历史内部负载、占用率预测、天气预报、建筑热质量、表面温度和核心温度等等以及用户输入和设定。用户输入的实施例在图8中被示出为期望温度、湿度、空间的预测占用率和/或计划好的占用率、设备清单、通风等等。用户输入可以被分区，例如大厅可以被期待成具有全部占用率同时办公室空间不被占用。在本实施例中，具有不同的预测占用率的两个区将具有不同的能量要求。

在图2中示出的配置中，独立的地热热量交换器被布置在具有分开的供给管道和返回管道的两端式分配集管上，该两端式分配集管将“较暖的”地热流体引导至一端并且将“较冷的”地热流体引导至相对端。这种配置允许独特的操作特征，包括不将热地热流体混合至冷地热流体，以便不降低温度并且由于较大的温度差而保持传递热量的能力。第二，显冷却装置，例如主动与被动冷梁和辐射冷却板，对于大部分，即使不是全部的冷却时期，可以通过仅操作循环泵并且不接合基于制冷剂的热泵来提供更冷的水(通常55到60℉）。利用图2中示出的配置，这是可能的，由于新颖的循环和控制防止了“较冷的”独立的地热热量交换器被从基于制冷剂的热量抑制装置排出的热的相对较高的温度热污染。

从基于制冷剂的热量抑制装置排出的热量被循环到“较暖的”独立的地热热量交换器，在那里它们的热量被消散掉。在加热模式中，由于流体和周围地面之间的较高的温度差，使得“较暖的”地热热量交换器在热量恢复上变得更加有效。储存在较暖的热量交换器中的热量可用作可以加热家庭热水等的热量提取系统的第一源。如果建筑加热负载（来自地球的热量的提取以及将其移动用来加热建筑或者建筑的系统）大于仅可用于“较暖的”地热热量交换器的热量，或者如果更高效地来做这些，那么“较冷的”地热热量交换器被转换成热量源而不是热沉，并且从而其将被“再补给”成较低温度以提供显冷却。

如果每年的加热/冷却需求是加热为主，并且额外的热量源是可用的，例如太阳能热收集，那么“较暖的”地热热量交换器中的一个或多个可以被指定为“最热”，并且其将接收任何不被立即使用的太阳生成的热量。该热量提高了地热热量交换器周围的土壤的温度，并且一部分热量将保留可用于未来使用。这样允许系统利用自然的季节温度变动来获取和储存热量，或者需要时，其可用于当年晚些时候使用时进行冷却。长期的热储存提高了采集的能量的可用性，供未来使用，导致了增加的效率以及提供一种管理可用于交换器的总能量的机构，从而降低交换器中的能量将变少和缺乏能量的可能性。

图6中示出的配置允许各种地热热量交换器配置（垂直的、水平的、池塘循环、热桩，等等）的最佳混合，以按照一种控制和最优化这些热量交换器类型中的每一个的不同的热特征的方式被同时使用。这将增加使用地热并且基于可用的土地更加成本效益地建造地热的机会。这还允许地热热量交换器被特别地设计用于长期或者短期储存、热或者冷储存、或者直接使用，亦称无储存，例如开放循环系统。

本发明还涵盖一种对所述被覆盖的流体集管的替代物，其单独地连接每一个地热热量交换器、热量交换器、源/热沉并且单独地控制它们。这将允许全局优化并且相比流体集管可以提高效率。这是由于使用如以上描述的相同的独立、直接的温度。

基于计算机的控制装置与能量底盘装置（图1至图2）以及以上描述的它的嵌入式能量交换单元（图4）协作，将监控和测量流入和流出地面的热量以及确定每一个独立的地热热量交换器、可替换的源/热沉的热响应特征，以在测量到实际性能数据时，允许系统操作序列被实时和预测性地优化。

每一个独立的能量源和/或热沉都具有储存在数据库中作为收集数据的独立性能特性。图9中示出的一个实施例具有当前的和历史的性能特征，包括能量容量、能量衰减和增益、耗散率、效率等等。图10示出了在为建筑物选择设备和设计加热/冷却系统时使用的不同的系统数据和设备规格的一个实施例。系统数据包括跟踪所使用的设备和设备的规格、管道规格、辐射规格和导管规格以及与该系统连接的任何其它设备的规格。每件设备还具有规格和操作参数，其实施例被示出在图10中。

图11示出了能量管理计算机数据类型和不同的最优化目标参数。当优化系统时，牢记最初成本、中间成本和生命周期成本是很重要的。其它的重要参数包括影响总成本的能量使用、对环境以及热舒适性的值和室内空气质量的影响使用。当然，还应该考虑所有者和用户要求及请求。能量管理计算机维持可用于系统的源和热沉的收集数据，追踪系统负载数据，以及确定最优化的控制方法并且控制输出。在系统操作期间维持初始系统性能、历史系统性能和历史设备性能以供使用。

图12示出了用于具有可变输出的部件（包括泵、阀、和热泵）的建筑与系统控制装置，并且提供设计方法、工程和软件数据的实施例。图13是示出了系统负载信号的实施例的示意框图。例如，系统接收设备故障信号并且响应以设备故障通知，以及系统数据被传送给用户、所有者、硬件和/或软件工程师，以及视情况而定传送给安装专家。

图14是示出了用于基于来自目标参数、系统数据、与系统源和热沉相关的收集数据以及系统负载数据的输入来控制系统的最优化方法的一个实施例的示意框图。基于所收集的数据，控制装置被优化成测量流体温度和对于最优化性能的流体的混合。

图15和图16中示出的流程图示出了最优化系统性能以满足建筑的居住者的需要的步骤。如所示，数据被收集和储存并且用于做出加热和冷却内部空间的决定以及确定是否满足负载要求。参考图16，步骤包括确定使用哪个源和/或热沉，以及混合哪个源和热沉以最佳满足优化参数。

图17示出了按照本发明的一个优选实施方式的用于设计能量底盘装置和能量交换装置的数据的实施例，包括独立设备数据、建筑材料信息、建筑建设数据，以及示出了保持在系统管理计算机上的数据的类型的实施例。示出的实施例用于说明本发明并非限制本发明。图18是按照本发明的一个优选实施方式示出了设计最优化的一个实施例的过程流程图。能量的实验结果和成本效益分析

系统性能和描述概要：

以下是已被随后设计并且现在正在为Findlay大学建造的实验楼的一个模拟。本发明者准备一种包括建筑外壳、HVAC、通风橱控制装置和照明配置的系统模拟，以提供一种相比标准设计和建设更加节能的较低的生命周期成本设施。该系统的模拟使用在本专利申请中描述的技术。这些努力的结果是一个集成的建筑能量系统设计，相比于常规建筑和HVAC实践，其给Findlay大学提供了实质利益，包括：

·100%外部空气（没有再循环）以提高居住健康和安全

·多达68%的能量成本减少和35%的维护成本减少

·多达76%的峰值电力需求减少

·多达68%的建筑能量占地面积减少

·多达68%的CO₂排放减少

·每年大约房屋面积的每平方英尺$1.20的能量和维护节省

·在$200,000的最初额外投资上仅4.3年的投资回收率周期

该系统基于嵌入在建筑结构内并且与主动冷梁耦合的辐射加热/冷却技术。整个系统被提供有来自具有地热交换器的中央地热热泵能量设施的加热与冷却流体。该设计使用具有地球热量交换器的季节能量储存的地热巨大建筑的短期能量储存器。

当与常规HVAC系统相比时，基于根据本发明者的系统的$1,400,000最初成本相比常规HVAC系统的$1,200,000最初成本，本发明的系统具有大约$200,000的最初成本溢价。这些估计不包括任何潜在的财务诱因-通过对不包含在成本比较中的可选能源系统的当前政府诱因，有机会减少最初成本差异。

与标准HVAC系统相比：

本发明者准备了一种用于本申请的典型的标准HVAC系统的成本估算和能量模拟，但是该标准HVAC系统被定尺寸为处理实验通风橱的显著额外要求。该HVAC配置包括变风量空气处理单元（在尺寸上顶层房间被增加800SF，以适应这个较大的单元）。空气处理系统被供给来自新锅炉的热水和来自新空气冷却装置的冷水。经调节温湿度的空气通过管道系统被馈送至变风量再热箱，变风量再热箱还被连接至热水系统。应当指出，这种常规的系统从房间到房间再循环空气，然而本发明系统不这样做。基于计算机的建筑自动化系统被包含在估算中。

根据每年$57,500的标准HVAC能量成本估算相比本发明每年$18,500的能量成本，对本发明系统估算的能量节省每年大约是$39,000，以及根据每年$21,500的标准HVAC维护成本估算相比本发明每年$14,000的维护成本，估算的维护节省每年是$7,500。这样产生了仅大约4.3年的投资回收率周期。

建筑的描述：

该工程包括大约40,000平方英尺，两层添加到在俄亥俄州Findlay市的Findlay大学校园上的戴维斯街道设施。所计划的建筑使用包括具有通风橱、教室、系办公室和各种支撑空间的多个实验室。

设计过程：

本发明者着眼于建筑内的包括墙体构造、窗户、屋顶保温、照明等等的不同部件完成多个能量模拟；测试本发明的不同配置以及确定哪些区域提供对总能量使用的最积极的影响。大学工作人员提供了建筑操作日程安排和计划的通风橱用法。利用率结构被假定为平均$0.075/kWH和每百万BTU天然气$10.00。

基础建筑配置还被准备成给我们一个与本发明设计对比的基准。在这种情况下，本发明遵循绿色建筑认证服务（LEED Certification）的美国绿色建筑理事会方针以及使用ASHRAE90.1-2007能量守恒标准作为其方法论的基准。基础方案建筑模型被假定成完全符合该标准。模拟结果十分重要，参见表1，对于本发明，其示出了所提议的使用ASHRAE和LEED标准的建筑与标准设计的结果相比较。

表1

表1中的结果基于具有所提议的地热系统和控制选项的整个系统。这些计算基于本发明做出的决定-由于那些决定也改变待更新的能量模式需要。

能量系统配置：

建筑能量系统包括本发明；能量底盘装置包括如图5中示出的能量交换单元。该系统在实时基础上监控每一个系统部件的性能并且依次从最高效率的源给建筑提供热水或者冷水。

能量交换单元监控和控制地热交换器（这是本发明独特的配置-代替单一的、混合流动的地球热量交换器，本发明使用若干个并且分开的地热交换器用于特定的热应用）和其它的热量源以及热沉例如冷却塔和热水器的组合。

利用该配置的独特的节能机会是其给辐射地板和主动冷梁系统提供冷水的能力，而一年的大部分时间内没有启动热泵。当处于该模式时，系统可以按照大约75到100的能量效率比（EER）传递冷却，而常规的冷却装置是10到15的EER。这允许我们按照常规HVAC系统的大约七分之一（1/7）的能量消耗比来提供冷却的大部分。

冷水或者暖水通过管道被分配到辐射冷却/加热（嵌入在混凝土结构中的PEX管）、主动冷梁和再热线圈。这些装置一起协作以提供空间温度控制。位于顶层机械设备用房中的专用的外部空气系统（DOAS）提供通风气流。该单元通常从建筑排气重新获得所浪费的能量并且使用它来预处理外部空气以用于通风。该系统给每一个房间提供100%外部空气-没有空气从空间到空间被再循环。这样减小了扩散大气污染物和气味的可能性。

以上系统的全部均由图15中示出的基于计算机的直接数字控制系统来控制和优化。该系统还可以提供能量性能“仪表盘”，该仪表盘可以位于公共区域以提供建筑性能上的持续反馈。

虽然已经按照各种实施方式或者已在实践中假定的修改描述、公开、说明以及示出了本发明，但是本发明的范围并非意在由此被限制，也不应该被认为由此被限制，因而通过本文的教导可以提出这种其它的修改或者实施方式，而这种其它的修改或者实施方式被特别地保护为落入本文所附权利要求的宽度和范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种能量分析方法，其用于测量和预测系统中的包括空气调节、加热、通风、电力以及这些负载的任何组合中的相应的至少一个的热能系统或者组合的热能与电能系统，所述方法包括以下步骤：

测量实时热负载和热需求或者热负载、热需求、电力负载以及电需求中的相应的至少一个；

跟踪历史热负载和热需求或者热负载、电力负载、热需求以及电需求中的相应的至少一个；

收集对热能或者热和电能的当前与预测需求的至少一个用户请求；以及

通过互联网和局域网接口中的一个来收集天气预报、用户输入和系统更新中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

执行一组指令以根据测量、跟踪和收集步骤进行学习和预报。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

根据所述测量、跟踪和收集步骤，向用户传递包括控制功能的实时数据和预测数据。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当系统设备故障时提供设备故障通知。

5.一种用于同时地且分别地预测多个独立的热源和电力源、热沉、热储存器以及电力负载中的至少一个的未来性能的方法，所述方法包括以下步骤：

评估具有至少一个多个独立的热源、电力源、热沉、热储存器以及电力负载的第一组至少三个变量的计算机模型；

分析所述至少一个多个独立的热源、电力源、热沉、热储存器以及电力负载的第二组至少三个变量的历史操作性能数据；

确定从所述至少一个多个独立的热源、电力源提取的、或者排放到所述多个独立的热沉和电力负载中的一个的流体温度、容量、电压、电流、或者瓦特数中的至少一个；以及

根据所述评估、分析和预测步骤确定一个或多个目标参数，以限定最佳（被定义为以最小标准误差限匹配一个或多个加权参数的）系统性能。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

确定来自所述多个独立的热源和热沉中的至少一个的多个独立的流体以及流体的混合物中的至少一个的使用，以获得以最小误差匹配预定温度的流体温度。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

至少基于进入所述热沉或者离开所述源的流体温度来确定从所述多个独立的热源、热沉和储存器中的一个或多个提取的或者添加至所述多个独立的热源、热沉和储存器中的一个或多个的所述流体或者流体的混合物。

8.一种用于同时地选择和使用热源、电力源、热沉以及电力负载中的至少一个的方法，所述方法包括以下步骤：

评估具有所述热源、电力源、热沉以及电力负载中的所述至少一个的至少三个变量的已知计算机模型；

分析所述热源、电力源、热沉以及电力负载中的每一个的温度、容量、电压、电流、或者瓦特数中的至少一个；

预测所述热源、电力源、热沉和电力负载中的任一个所能够使用的未来流体温度、容量、电压、电流以及瓦特数中的至少一个；

选择来自所述热源的预定温度流体或者流体混合物、或者来自所述电力源的最佳电压、电流或瓦特数中的至少一个；以及

启动所选择的热源和电力源的操作。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

基于历史系统性能和所预测的流体温度及电流中的一个或多个来确定系统效率改善。

10.一种用于同时地且分别地确定多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载中的至少一个的最佳使用的方法，所述方法包括以下步骤：

评估具有至少一个多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载的第一至少三个变量的计算机模型；

分析所述至少一个多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载的第二至少三个变量的历史操作性能数据；

分析所述至少一个多个独立的热源和热沉的当前温度和容量或者所述至少一个多个独立的电力源和电力负载的电压和容量中的至少一个；

预测所述至少一个多个独立的热源和热沉的未来流体温度和可用容量以及所述至少一个多个独立的电力源和电力负载的电压、电流、瓦特数和可用容量中的至少一个；

预测所述至少一个多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载的未来参数和性能参数；

确定所述至少一个多个独立的热源和电力源的供给有效性参数；

预测所述至少一个多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载在预定时间段的未来性能；

确定时间表，该时间表用于操作所述至少一个多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载，来以最小标准误差满足至少一个预定的最佳参数；以及

启动所述多个独立的热源、电力源、热沉以及电力负载中的所选择的至少一个的操作。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

基于历史系统性能和所预测的流体温度及电流中的一个或多个来确定系统效率改善。

12.一种具有被连接以被同时或者分别地控制的热源、热储存贮存器、热沉、或者电力源和电力负载的系统，所述系统包括：

多个不同的相应热源、热储存贮存器、热沉、电力源、电力储存装置以及电力负载；

连接至所述多个不同的热源、热储存贮存器、热沉、电力源、电力储存装置以及电力负载中的一个或多个的阀、泵和开关中的一个或多个，用于在所述多个不同的热源、电力源、热储存器、热沉以及电力负载中的一个或多个之间独立地切换；以及

计算机，其用于操作与所述多个不同的热源、热储存器、热沉、电力源和电力负载中的至少一个相连接的所述阀、泵和开关中的至少一个，用于可控制地独立或组合使用所述多个不同的流体源中的至少一个，或者可控制地独立或组合使用所述多个不同的电力源中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其能够由所述计算机控制器执行，用于选择所述多个不同的流体或电力源中的一个或多个以同时使用，以满足用户选择的参数。

14.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于从所述多个不同的热源和热沉中的一个或多个提取的或者添加至所述多个不同的热源和热沉中的一个或多个的所述流体或者流体的混合物、以及进入所述热沉或者离开所述热源的流体温度来确定系统效率改善。

15.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于以进入或者离开所述多个不同的热源或者热沉中的一个或多个的流体的温度为基础的预测数据来确定系统效率改善。

16.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于所述系统的先前性能来确定如何随时间进行效率改善。

17.一种用于测量加热与冷却系统中的可用的热储存能量的方法，包括以下步骤：

使用多个不同的流体源、热沉和储存器；

确定储存在所述多个不同的流体源中的至少一个中的热能；

确定所述多个不同的流体热沉中的至少一个的热能容量；

确定所述热储存源和热沉中的至少一个的热能储存与耗散率；

确定热储存容量；以及

确定预定储存时段内的热能损耗、增益及存留中的一个或多个。

18.一种用于确定在加热与制冷系统中包括储存器的多个不同的热能量源和热沉的最佳使用的方法，包括以下步骤：

确定储存在所述热源中的一个或多个中的由所述系统可用的热能；

确定所述系统可用的一个或多个热沉的热能容量；

确定所述一个或多个热源、热沉和储存器的热能储存与耗散率；

分析预定时间段内的热储存容量；

预测储存时段内的热能损耗和增益以及热存留；

将可用的热源与目标参数比较；

选择所述热源或者热沉中的至少一个；以及

启动所选择的至少一个热源或者热沉的使用。

19.一种地热热量交换器系统，包括：

多个独立的地热流体源、热沉以及储存贮存器；以及

多个地热热量交换器流体回路，该多个地热热量交换器流体回路独立地循环或者分组，以允许所述多个不同的地热流体源、热沉以及储存贮存器被同时用作独立的源和热沉，用来作为热、冷或者其它温度的流体源、热沉或者包括允许流体被利用而没有混合或进一步的热处理的独立的连接件的储存贮存器。

20.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述独立的地热流体源中的一个或多个被专门用作年度或者季节性热储存器。

21.根据权利要求20所述的地热热量交换器系统，其中所述热储存器被设计成储存能量一预定时间段。

22.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述多个独立的地热流体源和储存贮存器中的一个或多个被配置成作为热或者冷循环来优化性能。

23.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述多个独立的地热流体源中的每一个的流体的流被独立地连接，以由计算机控制器控制用于使用和混合。

24.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，还包括：

地热热量交换器，其与用于预定使用的所选择的多个独立的地热流体源中的一个或多个连接。

25.一种预制的中央能源设施，用于处理和运输与建筑、社区或校园中的空气调节、加热、通风或者其任何组合相关的热能量，所述预制的中央能源设施包括：

用于连接多个外部热能源、热能热沉、或者热能贮存器的多个连接件；

能够具有独立的流体温度的多个独立的流体线路；

计算机控制阀或者泵，其与所述多个独立的流体线路中的至少一个连接，用于控制流体移动和混合；以及

至少一个计算机集成传感器，用于感测温度、流速、能量转移速率以及总能量转移中的至少一个。

26.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

混合式热沉和混合式热源中的至少一个，所述混合式热沉和混合式热源专门用于预定的储存期间内的用于热储存的热流体、冷流体以及预定温度流体中的一个或多个。

27.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

连接至所述多个流体源和热沉中的至少一个的热泵、加热装置和冷却装置中的至少一个；

连接在热泵、加热装置及冷却装置中的至少一个与所述多个流体源和热沉中的至少一个之间的控制阀和泵中的至少一个；

连接在热泵、加热装置及冷却装置中的至少一个与所述多个流体源和热沉中的至少一个之间的传感器；

被连接成将流体从所述多个流体源和热沉中的至少一个移动至热泵、加热装置和冷却装置中的至少一个的泵。

28.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

至少一个装配式橇装单元或者模块化可运输单元。

29.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，其中所述预制的中央能源设施是可扩缩的。

30.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，其中通过添加额外的模块化可运输单元、家用热水源、额外的加热单元、额外的冷却单元、额外的热能储存器部件、额外的传感器、额外的泵、额外的阀及类似物中的至少一个，所述预制的中央能源设施是可扩展的。

31.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

两端式分配集管，其具有将暖流体引导至所述两端式分配集管的一端并且将比所述暖流体冷的冷流体引导至所述两端式分配集管的另一端的分立的供给线路和返回线路。

32.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于基于使用量来对加热与冷却供给进行计量和计费的算法。

33.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

人工智能软件，其由计算机执行以可控制地混合流体和将流体移进和移出多个热源和热沉中的一个或多个。

34.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于设计和设置的集成软件。

35.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于跟踪性能数据并且与设计者和建筑操作者共享所述性能数据的软件和互联网或者局域网连接。

36.一种能够管理各种不同的能量采集装置的预制的中央能源设施，包括：

太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、或者燃料电池中的一个或者多个；

控制器，其与所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、或者燃料电池中的一个或者多个耦合；

计算机，其用于同时地且独立地管理所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、以及燃料电池中的一个或者多个和所述控制器；以及

一组指令，能够在所述计算机上执行，以控制一个或多个相应的太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置和燃料电池的操作，并且能够基于每天时间和季节时间在预定时间段内预测和测量每个相应的太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置和燃料电池的可用热容量。

37.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

太阳热能装置、地热能量装置、太阳能光伏能量装置、能量回收装置和燃料电池能量装置中的一个或者多个中的每一个的一个或者多个操作和控制模型，用于基于每天时间和季节时间随着时间预测和测量所述太阳热能装置、地热能量装置、太阳能光伏能量装置、能量回收装置和燃料电池能量装置中的一个或者多个的容量。

38.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组指令，其用于计算机化设置和配置，以促进有效地给预定的建筑、预定的负载和预定的操作环境中的一个或多个定制设施。

39.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组计算机化设计工具，该组设计工具与所述预制的中央能源设施集成，用于促进配置所述预制的中央能源设施以满足预定的建筑负载和操作环境。

40.根据权利要求39所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组计算机可执行的设置指令，该组设置指令被集成以用于配置和设置所述预制的中央能源设施。

41.一种用于HVAC系统配置的方法，包括以下步骤：

对于一组参数中的任一个、一组参数的组合、或为了适应一组参数，最优化系统部件的选择、互通性和尺寸中的至少一个，所述一组参数包括最初成本、运行成本、生命周期成本、收支平衡日期、能量使用、环境影响、热舒适性和空气质量中的一个或多个。

42.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

添加用户输入优化矩阵和设定点以及限值中的至少一个，以约束最终方案的选择。

43.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

将所述系统配置为一种预制系统。

44.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

从至少一个运行系统接收实际系统性能数据并使用该实际系统性能数据，以基于所述实际系统性能来改善最佳系统设计。

Claims (44)

1.一种能量分析方法，其用于测量和预测系统中的空气调节、加热、通风、电力以及这些负载的任何组合中的至少一个，所述方法包括以下步骤：

测量实时热负载、电力负载、热需求以及电需求中的至少一个；

跟踪历史热负载、电力负载、热需求以及电需求中的至少一个；

收集对热能和电能的当前与预测负载的至少一个用户请求；以及

通过互联网和局域网接口中的一个来收集至少一个天气预报、用户输入和系统更新。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

执行一组指令以根据测量、跟踪和收集步骤进行学习和预报。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

根据所述测量、跟踪和收集步骤，向用户传递包括控制功能的实时数据和预测数据。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当系统设备故障时提供设备故障通知。

5.一种用于同时地且分别地预测热源和电力源、热沉以及电力负载中的至少一个的性能的方法，所述方法包括以下步骤：

评估多个独立的热源和电力源、多个独立的热沉以及多个电力负载中的每一个的模型；

分析所述多个独立的热源和电力源、所述多个独立的热沉以及所述多个独立的电力负载的历史性能数据；

确定从所述多个热源和电力源中的每一个提取的、或者排放到所述独立的热沉或者电力负载中的每一个的流体温度、容量、电压、电流、或者瓦特数中的至少一个；以及

根据所述评估、分析和预测步骤确定目标参数，以限定最佳（被定义为以最小标准误差限匹配用户加权参数的）系统性能。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

确定来自多个热源或者热沉的多个流体以及流体的混合物中的至少一个的使用，以获得以最小误差匹配预定温度的流体温度。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

至少基于进入所述热沉或者离开所述源的流体温度来确定从一个或多个热源和热沉提取的或者添加至一个或多个热源和热沉的所述流体或者流体的混合物。

8.一种用于同时地且独立地选择和使用至少一个热源或电力源、和热沉、或者电力负载的方法，所述方法包括以下步骤：

评估多个热源和电力源、多个热沉以及多个电力负载中的至少一个的已知模型；

分析所述多个热源和电力源、热沉以及电力负载中的每一个的温度、容量、电压、电流、或者瓦特数中的至少一个；

预测所述多个热源和电力源及多个热沉和电力负载中的每一个所能够使用的流体温度、容量、电压、电流以及瓦特数中的至少一个；以及

选择来自所述多个热源中的一个或多个的预定温度流体或者流体混合物、或者来自所述多个电力源中的一个或多个的最佳电压、电流或瓦特数中的至少一个；以及启动所述多个流体源和电力源中的所选择的至少一个的操作。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

基于历史系统性能和所预测的流体温度及电流中的一个或多个来确定系统效率改善。

10.一种用于同时地且分别地预测多个热源或电力源、多个热沉以及电力负载中的至少一个的最佳使用的方法，所述方法包括以下步骤：

评估多个独立的热源或电力源、热沉、或者电力负载中的至少一个的模型；

分析每一个独立的热源或电力源、热沉、或者电力负载的历史性能数据；

分析所述多个独立的热源和热沉中的每一个的当前温度和容量或者所述独立的电力源和电力负载中的每一个的电压和容量中的至少一个；

预测所述多个独立的热源和热沉中的每一个的流体温度和可用容量以及所述多个独立的电力源和电力负载中的每一个的电压、电流、瓦特数和可用容量中的至少一个；

预测所述多个独立的热源和电力源、热沉以及电力负载中的每一个的未来参数和性能参数；

确定所述多个独立的热源和电力源中的每一个的供给有效性参数；

预测所述多个独立的热源和电力源、热沉以及电力负载中的每一个在预定时间段的性能；

确定时间表，该时间表用于操作所述多个独立的热源和电力源、热沉以及电力负载中的每一个，来以最小标准误差满足至少一个预定的最佳参数；以及

启动所述多个独立的热源和电力源、热沉以及电力负载中的所选择的至少一个的操作。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

基于历史系统性能和所预测的流体温度及电流中的一个或多个来确定系统效率改善。

12.一种具有被连接以被同时或者分别地控制的热源或电力源、热沉、或者电力负载的系统，所述系统包括：

多个热源或电力源、热沉、或者电力负载；

连接至所述多个热源和电力源、多个热沉以及多个电力负载中的一个或多个的阀、泵和开关中的一个，用于在所述多个热源和电力源、热沉以及电力负载中的一个或多个之间独立地切换；以及

计算机，其用于操作与所述多个热源或电力源、热沉和电力负载中的至少一个相连接的所述阀、泵和开关中的至少一个，用于可控制地独立或组合使用所述多个流体源中的至少一个，或者可控制地独立或组合使用所述电力源中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其能够由所述计算机控制器执行，用于选择所述多个流体中的一个或多个以同时使用，以满足用户选择的参数。

14.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于从一个或多个热源和热沉提取的或者添加至一个或多个热源和热沉的所述流体或者流体的混合物、以及进入所述热沉或者离开所述源的流体温度来确定系统效率改善。

15.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于以进入或者离开所述源或者热沉的流体的温度为基础的预测数据来确定系统效率改善。

16.根据权利要求12所述的系统，还包括：

一组指令，其用于基于所述系统的先前性能来确定如何随时间进行效率改善。

17.一种用于测量加热与冷却系统中的可用的热储存能量的方法，包括以下步骤：

使用多个不同的流体源、热沉和储存器；

确定储存在所述多个不同的流体源中的至少一个中的热能；

确定所述多个不同的流体热沉中的至少一个的热能容量；

确定所述热储存源和热沉中的至少一个的热能储存与耗散率；

确定热储存容量；以及

确定预定储存时段内的热能损耗、增益及存留中的一个或多个。

18.一种用于确定在加热与制冷系统中包括储存器的多个不同的热能量源和热沉的最佳使用的方法，包括以下步骤：

确定储存在所述热源中的一个或多个中的由所述系统可用的热能；

确定所述系统可用的一个或多个热沉的热能容量；

确定所述一个或多个热源、热沉和储存器的热能储存与耗散率；

分析预定时间段内的热储存容量；

预测储存时段内的热能损耗和增益以及热存留；

将可用的热源与目标参数比较；

选择所述热源或者热沉中的至少一个；以及

启动所选择的至少一个热源或者热沉的使用。

19.一种地热热量交换器系统，包括：

多个独立的地热流体源和热沉；以及

多个地热热量交换器流体回路，该多个地热热量交换器流体回路独立地循环或者分组，以允许多个不同的地热流体源和热沉被同时用作独立的源和热沉，用来作为热、冷或者其它温度的流体源或者热沉。

20.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述独立的地热流体源中的一个或多个被专门用作年度或者季节性热储存器。

21.根据权利要求20所述的地热热量交换器系统，其中所述热储存器被设计成储存能量一预定时间段。

22.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述多个独立的地热流体源中的一个或多个被配置成作为热或者冷循环来优化性能。

23.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，其中所述多个独立的地热流体源中的每一个的流体的流被独立地连接，以由计算机控制器控制用于使用和混合。

24.根据权利要求19所述的地热热量交换器系统，还包括：

地热热量交换器，其与用于预定使用的所选择的多个独立的地热流体源中的一个或多个连接。

25.一种预制的中央能源设施，用于处理和运输与建筑、社区或校园中的空气调节、加热、通风、电力、或者其任何组合相关的能量，包括：

用于多个热能源或电能源、热能热沉、或者电能负载的多个连接件；

多个独立的流体线路，每一个流体线路具有独立的流体温度，

计算机控制阀或者泵，其与所述多个独立的流体线路中的至少一个连接，用于控制流体移动和混合；以及

至少一个计算机集成传感器，用于感测温度、流速、能量转移速率或者总能量转移中的至少一个。

26.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

混合式热沉和混合式热源中的至少一个，所述混合式热沉和混合式热源专门用于预定的储存期间内的用于热储存的热流体、冷流体以及预定温度流体中的一个或多个。

27.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

连接至所述多个流体源和热沉中的至少一个的热泵、加热装置和冷却装置中的至少一个；

连接在热泵、加热装置及冷却装置中的至少一个与所述多个流体源和热沉中的至少一个之间的控制阀和泵中的至少一个；

连接在热泵、加热装置及冷却装置中的至少一个与所述多个流体源和热沉中的至少一个之间的传感器；

被连接成将流体从所述多个流体源和热沉中的至少一个移动至热泵、加热装置和冷却装置中的至少一个的泵。

28.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

至少一个装配式橇装单元或者模块化可运输单元。

29.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，其中所述预制的中央能源设施是可扩缩的。

30.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，其中通过添加额外的模块化可运输单元、家用热水源、额外的加热单元、额外的冷却单元、额外的热能储存器部件、额外的传感器、额外的泵、额外的阀及类似物中的至少一个，所述预制的中央能源设施是可扩展的。

31.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

两端式分配集管，其具有将暖流体引导至所述两端式分配集管的一端并且将比所述暖流体冷的冷流体引导至所述两端式分配集管的另一端的分立的供给线路和返回线路。

32.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于基于使用量来对加热与冷却供给进行计量和计费的算法。

33.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

人工智能软件，其由计算机执行以可控制地混合流体和将流体移进和移出多个热源和热沉中的一个或多个以及移进和移出多个电力源和电力负载中的一个或多个。

34.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于设计和设置的集成软件。

35.根据权利要求25所述的预制的中央能源设施，还包括：

用于跟踪性能数据并且与设计者和建筑操作者共享所述性能数据的软件和互联网或者局域网连接。

36.一种能够管理多个能量采集装置的预制的中央能源设施，包括：

太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、或者燃料电池中的一个或者多个；

控制器，其与所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、或者燃料电池中的一个或者多个耦合；

计算机，其用于同时地且独立地管理所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置、以及燃料电池中的一个或者多个和所述控制器；以及

一组指令，能够在所述计算机上执行，以控制所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置和燃料电池中的每一个以及所述控制器的操作，所述控制器能够基于每天时间和季节时间在预定时间段内预测和测量所述太阳热、地热、太阳能光伏、能量回收装置和燃料电池中的每一个的容量。

37.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

太阳热能装置、地热能量装置、太阳能光伏能量装置、能量回收装置和燃料电池能量装置中的一个或者多个中的每一个的一个或者多个操作和控制模型，用于基于每天时间和季节时间随着时间预测和测量所述太阳热能装置、地热能量装置、太阳能光伏能量装置、能量回收装置和燃料电池能量装置中的一个或者多个的容量。

38.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组指令，其用于计算机化设置和配置，以促进有效地给预定的建筑、预定的负载和预定的操作环境中的一个或多个定制设施。

39.根据权利要求36所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组计算机化设计工具，该组设计工具与所述预制的中央能源设施集成，用于促进配置所述预制的中央能源设施以满足预定的建筑负载和操作环境。

40.根据权利要求39所述的预制的中央能源设施，还包括：

一组计算机可执行的设置指令，该组设置指令被集成以用于配置和设置所述预制的中央能源设施。

41.一种用于HVAC系统配置的方法，包括以下步骤：

对于一组参数中的任一个、一组参数的组合、或为了适应一组参数，最优化系统部件的选择、互通性和尺寸中的至少一个，所述一组参数包括最初成本、运行成本、生命周期成本、收支平衡日期、能量使用、环境影响、热舒适性和空气质量中的一个或多个。

42.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

添加用户输入优化矩阵和设定点以及限值中的至少一个，以约束最终方案的选择。

43.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

将所述系统配置为一种预制系统。

44.根据权利要求41所述的用于HVAC系统设计的方法，还包括以下步骤：

从至少一个运行系统接收实际系统性能数据并使用该实际系统性能数据，以基于所述实际系统性能来改善最佳系统设计。

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