CN104713193B - 用于暖通空调系统的控制装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于暖通空调系统的控制装置及其方法，该控制装置包含建筑物热负载模块、数据收集模块、最佳化模块以及控制器。首先取得建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型并收集场域状态数据和设定数据，接着整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算以产生最佳化数据，最后依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节室内的温度、湿度或气体浓度等状态，进而达到维持室内舒适度以及节能的功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制装置及其方法，尤指一种用于暖通空调系统的控制装置及其方法。
背景技术
空调系统通过将建筑物内的温度、湿度、压力、风速及清静度等等控制在指定的范围内，使建筑物内的人员能在舒适的环境内生活，而暖通空调(Heating,Ventilation andAir Conditioning，HVAC)为本领域技术人员耳熟能详的空调系统之一。
然而，空调装置的传统控制方法为人为定义固定数值，无法因地制宜地适用于各种状况，若设定不当，不仅使建筑物内的环境舒适度下降，也会造成空调系统的耗电量随之增加，实缺乏多方面环境因素的考量。
另外，随着环保议题风行，各界莫不致力于节能减碳，而一般日常生活的耗电往往以空调系统耗电量占大多数比例，若能针对空调系统进行节能，不啻是节省能源上的一大进步。
是故，如何考量室内环境因素如温度及湿度等，又可维护在场人员的环境舒适度，进而减少耗电量，实为现今欲所需改进的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于暖通空调系统的控制装置及其方法，达到维持室内舒适度以及节能的功效。
为实现上述目的，本发明提供一种用于暖通空调系统的控制装置，该暖通空调系统用于调节室内状态，该用于暖通空调系统的控制装置包含：建筑物热负载模块，其依据建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型；数据收集模块，其用于收集场域状态数据及设定数据；最佳化模块，其整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算，以产生最佳化数据；以及控制器，其依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节该室内状态。
其中，该控制装置更包含数据库，用于储存该建筑物外壳数据。
其中，该控制装置更包含感测器及设定器，该感测器用于感测该室内状态以产生该场域状态数据，该设定器用于设定该室内状态以产生该设定数据。
其中，该控制装置更包括通信模块，该建筑物热负载模块设置于远端，并借由该通信模块与该最佳化模块进行数据传输。
其中，该控制装置更包括通信模块，该建筑物热负载模块及该最佳化模块设置于远端，并借由该通信模块与该数据收集模块和该控制器进行数据传输。
其中，该场域状态数据为气体浓度、室内温度、室内湿度或该暖通空调系统的耗电量，该设定数据为室内温度设定值。
其中，于该气体浓度超出一预设值时，该数据收集模块将一浓度过高的信息输出至该控制器，则该控制器令该暖通空调系统调节该气体浓度至该预设值，于该气体浓度未超出该预设值时，该数据收集模块继续收集该气体浓度的数据。
其中，该最佳化模块进行该最佳化计算以得出该最佳化数据并输出至该控制器，而该控制器依据该最佳化数据控制该暖通空调系统以调节该室内温度、该室内湿度以及该暖通空调系统的风量输出，以保持室内环境的舒适度与控制该暖通空调系统的电量。
其中，该建筑物外壳数据为形成室内空间的建筑物建材的性质以及该建筑物建材的面积数值。
其中，该最佳化模块以线性二次调节(Linear Quadratic Regulator；LQR)或或线性二次高斯(Linear Quadratic Gaussian；LQG)为基础的控制演算法来进行该最佳化计算。
其中，该控制演算法为H2、H∞或混合型H2/H∞。
其中，该控制装置更包括通信模块，用于自该数据库中取得该建筑物外壳数据以传输至该建筑物热负载模块。
其中，该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块、该建筑物热负载模块、该最佳化模块和该控制器进行数据传输。
其中，该建筑物热负载模块与该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块、该最佳化模块和该控制器进行数据传输。
其中，该建筑物热负载模块、该最佳化模块与该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块和该控制器进行数据传输。
本发明还提供一种用于暖通空调系统的控制方法，该暖通空调系统用于调节室内状态，该用于暖通空调系统的控制方法包括：撷取建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型，以及收集场域状态数据和设定数据；整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算，以产生最佳化数据；以及依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节该室内状态。
其中，该场域状态数据指气体浓度、室内温度、室内湿度或该暖通空调系统的耗电量，该设定数据为室内温度设定值。
其中，该建筑物外壳数据为形成室内空间的建筑物建材的性质以及该建筑物建材的面积数值。
其中，该最佳化数据以线性二次调节(Linear Quadratic Regulator；LQR)或线性二次高斯(Linear Quadratic Gaussian；LQG)为基础的控制演算法来进行该最佳化计算。
其中，该控制演算法为H2、H∞或混合型H2/H∞。
借此，本发明可解决现有技术所述的缺乏环境因素考量及维持建筑物内舒适度整合的问题。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的用于暖通空调系统的控制装置示意图；
图2A为本发明的用于暖通空调系统的控制装置的第一实施例示意图；
图2B为本发明的用于暖通空调系统的控制装置的第二实施例示意图；
图2C为本发明的用于暖通空调系统的控制装置的第三实施例示意图；
图3为本发明的用于暖通空调系统的控制方法主要流程步骤示意图；
图4为本发明的用于暖通空调系统的控制装置及其方法的应用说明范例。
其中，附图标记：
2、2’、2’’：控制设备
13、23、43：数据收集模块
16、26、46：建筑物热负载模块
17、27、47：最佳化模块
18、28、48：控制器
21：感测器
22：设定器
24、44：数据库
25、45：通信模块
29：耗电量
431：室内温度及室内湿度
432：温度设定值
433：气体浓度
434：判断程序
8：网络
9：暖通空调系统
S31至S33：步骤
具体实施方式
以下借由特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不悖离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用于限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
请参照图1，其为本发明用于暖通空调系统9的控制装置的架构示意图，该用于暖通空调系统9的控制装置主要包括数据收集模块13、建筑物热负载模块16、最佳化模块17和控制器18。
数据收集模块13用于收集场域状态数据及设定数据。所述场域状态数据例如有害气体浓度(如二氧化碳)、室内温度、室内湿度或该暖通空调系统9的耗电量，所述设定数据例如室内温度设定值，即使用者操作冷气或风扇遥控器的设定值。
建筑物热负载模块16用于撷取建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型。所述建筑物外壳数据例如形成室内空间的建筑物建材的性质以及该建筑物建材的面积数值。此外，所述建筑物外壳数据储存于一数据库(未图式)中。
最佳化模块17整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据和设定数据并进行最佳化计算以产生最佳化数据。例如，以Linear Quadratic Regulator(LQR)或LinearQuadratic Gaussian(LQG)为基础的控制演算法来进行该最佳化计算，所述控制演算法可为H2、H∞或混合型H2/H∞。
控制器18依据该最佳化数据对该暖通空调系统9进行控制，以调节该室内状态，俾达到该暖通空调系统9的节能及室内舒适度的功效。
另外，本发明的用于暖通空调系统的控制装置更包含通信模块(未图式)，该建筑物热负载模块16可设置于远端，并借由该通信模块与该最佳化模块17进行数据传输；或者，该建筑物热负载模块16及该最佳化模块17设置于远端，并借由该通信模块与该数据收集模块13和该控制器18进行数据传输。
请参照图2A，其用于显示本发明的用于暖通空调系统9的控制装置的第一实施例示意图，包含感测器21、设定器22、数据收集模块23、数据库24、通信模块25、建筑物热负载模块26、最佳化模块27及控制器28。
该数据收集模块23用于收集该感测器21感测该室内状态所得的场域状态数据、该设定器22设定该室内状态的设定数据及该暖通空调系统9的耗电量29，上述场域状态数据可为气体浓度如二氧化碳浓度、室内温度与室内湿度等，而上述设定数据为室内温度设定值。
该数据库24用于储存建筑物外壳数据，如室内空间的建筑物建材如墙壁、天花板、地板、窗户及门等材料性质以及该建筑物建材的面积，其中，该建筑物建材的性质为该建筑物建材的总热传系数与热阻。
该通信模块25通过网络8接收该数据库24的建筑物外壳数据并传输至该建筑物热负载模块26。
该建筑物热负载模块26撷取该建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型，其中，该建筑物热负载模型由室内外温差改变率正比于暖通空调系统所提供的热流率Qin(W)与隔热墙的热损失率Qloss(W)之差而获得，方程式如式(1)
其中，m为建筑物内体积质量(Kg)，可由m＝ρ×V获得，ρ为空气体积密度(1.205kg/m3)，c为建筑物内空气比热(1.005kJ/kg.K)，Tin与Tout为室内与室外温度(℃)。
隔热墙的热损失率是正比于隔热墙温差，方程式如式(2)
Qloss＝UA(Tin-Tout) (2)
其中，U与A分別为隔热墙的热透射率与面积，将(2)式代入(1)式可得建物热负载模型的状态方程式如式(3)
前述计算式请参考数据来源Approved Document L Part1A(2006edition)setsthe following‘reasonable limits’。
该最佳化模块27整合前述场域状态数据、设定数据及建筑物热负载模型并进行最佳化计算以产生最佳化数据，以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear QuadraticGaussian(LQG)为基础的控制演算法进行最佳化计算，而该控制演算法例如为Η2、Η∞或混合型Η2/Η∞。
该控制器28为依据该最佳化模块27所得的最佳化数据对该暖通空调系统9进行控制，进而调节室内温度、室内湿度或该暖通空调系统9的风量等，以保持室内环境的舒适度，且如上所述，该数据收集模块23将该暖通空调系统9的耗电量29也列为该最佳化模块27的考量因素之一，又可达到控制耗电量的效果。
另外，本发明的用于暖通空调系统9的控制装置可将数据库24以云端方式设置，并借由网络8与整合为一控制设备2的数据收集模块23、通信模块25、建筑物热负载模块26、最佳化模块27和控制器28进行数据传输。
请参照图2B，其用于显示本发明用于暖通空调系统的控制装置的第二实施例示意图。如图2B所示，该建筑物热负载模块26与该数据库24可同时设置于云端，并借由网络8与整合为一控制设备2’的数据收集模块23、通信模块25、最佳化模块27和控制器28进行数据传输。
请参照图2C，其用于显示本发明用于暖通空调系统的控制装置的第三实施例示意图，该建筑物热负载模块26、该最佳化模块27与该数据库24也可设置于云端，并借由网络8与整合为一控制设备2’’的数据收集模块23、通信模块25和控制器28进行数据传输。
借由图2A至图2C所示的三种不同实施例型态，使用者可因应各种室内空间因素及自身需求而进行不同的设备配置，更可因应于不同的商业形态而进行改变，达到促进经济效益的效果。
请参照图3，其用于显示本发明的用于暖通空调系统的控制方法的主要流程步骤，首先，于步骤S31中，撷取建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型并收集场域状态数据和设定数据；接着进行步骤S32，整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算，以产生最佳化数据；最后执行步骤S33，依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节室内状态。
请参照图4，表示本发明的用于暖通空调系统的控制装置及方法的应用范例的说明示意图。
数据库44中储存有室内建材及材料性质等建筑物外壳数据，建筑物热负载模块46借由通信模块45通过网络8撷取所述建筑物外壳数据，并以的计算式建立建筑物热负载模型。此外，室内设置有多个数据收集模块43，可用于收集室内温度及室内湿度431等场域状态数据、室内温度设定值432等设定数据、气体浓度(如二氧化碳的浓度)433以及该暖通空调系统9的耗电量29等，若经过判断程序434得知该气体浓度超出一预设值时，则该数据收集模块43将一浓度过高的信息输出至控制器48，以调节室内的该气体浓度至该预设值，若经过判断程序434得知该气体浓度未超出该预设值时，则该数据收集模块43继续收集该气体浓度的数据。此外，最佳化模块47整合该建筑物热负载模型及该场域状态数据和设定数据，并以LinearQuadratic Regulator(LQR)或Linear QuadraticGaussian(LQG)为基础的H2或H∞的控制演算法进行最佳化计算，得出最佳化数据后输出至控制器48，而该控制器48依据该最佳化数据控制该暖通空调系统9以调节室内温度、室内湿度以及该暖通空调系统9的风量输出，以保持室内环境的舒适度与控制该暖通空调系统的耗电量。
综上所述，本发明的控制装置及方法应用于暖通空调系统，以不影响建筑物内对人体的环境舒适度前提之下，依据建筑物相关参数、环境状态以及暖通空调系统的耗电量等数据来调整暖通空调系统的运作，进而有效达到耗电能控管以及维持环境舒适度的功效。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (13)
1.一种用于暖通空调系统的控制装置，该暖通空调系统用于调节室内状态，其特征在于，该用于暖通空调系统的控制装置包含：
建筑物热负载模块，用于依据建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型，该建筑物热负载模块设置于远端；
数据收集模块，用于收集场域状态数据及设定数据，其中，该场域状态数据为气体浓度、室内温度、室内湿度或该暖通空调系统的耗电量，该设定数据为室内温度设定值；
最佳化模块，其整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算，以产生最佳化数据，其中，该最佳化模块以线性二次调节或线性二次高斯为基础的控制演算法来进行该最佳化计算，且该控制演算法为H2、H∞或混合型H2/H∞；
控制器，其依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节该室内状态；以及
通信模块，该建筑物热负载模块借由该通信模块与该最佳化模块进行数据传输。
2.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该控制装置更包含数据库，用于储存该建筑物外壳数据。
3.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该控制装置更包含感测器及设定器，该感测器用于感测该室内状态以产生该场域状态数据，该设定器用于设定该室内状态以产生该设定数据。
4.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该建筑物热负载模块及该最佳化模块设置于远端，并借由该通信模块与该数据收集模块和该控制器进行数据传输。
5.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，于该气体浓度超出一预设值时，该数据收集模块将一浓度过高的信息输出至该控制器，则该控制器令该暖通空调系统调节该气体浓度至该预设值，于该气体浓度未超出该预设值时，该数据收集模块继续收集该气体浓度的数据。
6.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该最佳化模块进行该最佳化计算以得出该最佳化数据并输出至该控制器，而该控制器依据该最佳化数据控制该暖通空调系统以调节该室内温度、该室内湿度以及该暖通空调系统的风量输出，以保持室内环境的舒适度与控制该暖通空调系统的电量。
7.如权利要求1所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该建筑物外壳数据为形成室内空间的建筑物建材的性质以及该建筑物建材的面积数值。
8.如权利要求2所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该通信模块用于自该数据库中取得该建筑物外壳数据以传输至该建筑物热负载模块。
9.如权利要求8所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块、该建筑物热负载模块、该最佳化模块和该控制器进行数据传输。
10.如权利要求8所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该建筑物热负载模块与该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块、该最佳化模块和该控制器进行数据传输。
11.如权利要求8所述的用于暖通空调系统的控制装置，其特征在于，该建筑物热负载模块、该最佳化模块与该数据库设置于云端，并借由网络与整合为一控制设备的该数据收集模块、该通信模块和该控制器进行数据传输。
12.一种用于暖通空调系统的控制方法，该暖通空调系统用于调节室内状态，其特征在于，该用于暖通空调系统的控制方法包含：
撷取建筑物外壳数据以建立建筑物热负载模型并储存于远端，以及收集场域状态数据和设定数据，其中，该场域状态数据指气体浓度、室内温度、室内湿度或该暖通空调系统的耗电量，该设定数据为室内温度设定值；
通过数据传输以整合该建筑物热负载模型、该场域状态数据及该设定数据并进行最佳化计算，以产生最佳化数据，其中，该最佳化数据以线性二次调节或线性二次高斯为基础的控制演算法来进行该最佳化计算，且该控制演算法为H2、H∞或混合型H2/H∞；以及
依据该最佳化数据对该暖通空调系统进行控制，以调节该室内状态。
13.如权利要求12所述的用于暖通空调系统的控制方法，其特征在于，该建筑物外壳数据为形成室内空间的建筑物建材的性质以及该建筑物建材的面积数值。
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Publications (2)
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