CN111854108A - 用于建筑物气候控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制建筑物的气候的方法，包括：针对建筑物的一个或多个区域确定所述建筑物中气候的当前方面与所述建筑物中气候的所述方面的设定点之间的差；在气候系统控制器处对所述差求和；并且基于所述差的和来确定所述建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。还公开了一种用于建筑物的气候系统。

Description

用于建筑物气候控制的系统和方法
背景技术
建筑物，诸如大学建筑物、办公建筑物、住宅建筑物、商业建筑物等，包括可操作为控制建筑物内部的气候的气候系统。有些建筑物要求气候随时间变化。气候系统可操作为维持建筑物中的期望气候。
发明内容
根据本公开的示例性实施方案的控制建筑物的气候的方法，除其他可能的事物外，还包括：针对建筑物的一个或多个区域确定建筑物中气候的当前方面与建筑物中气候的该方面的设定点之间的差。该方法还包括：在气候系统控制器处对差求和，并且基于差的和来确定建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
在前述内容的另外的示例中，确定一个或多个操作变量的设定点的步骤是基于一个或多个可调节参数的。
在任意前述内容的另外的示例中，该方法包括：基于与气候系统有关的实时动态信息来调节一个或多个可调节参数。
在任意前述内容的另外的示例中，建筑物中气候的当前方面是建筑物内的当前空气温度。该方面的设定点是温度设定点。
在任意前述内容的另外的示例中，一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
在任意前述内容的另外的示例中，气候系统的一个或多个部件包括冷却器、泵和空气处理单元中的至少一种。
在任意前述内容的另外的示例中，一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的调节空气的温度。
根据本公开的示例性实施方案的用于建筑物的气候系统，除其他可能的事物外，还包括计算装置，该计算装置被配置为：针对建筑物中的一个或多个区域确定建筑物中气候的当前方面与建筑物中气候的该方面的设定点之间的差；对差求和；并且基于差的和来确定建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
在前述内容的另外的示例中，计算装置是气候系统控制器。
在任意前述内容的另外的示例中，计算装置包括第一计算装置，该第一计算装置被配置为确定建筑物中气候的当前方面与建筑物中气候的该方面的设定点之间的差并对差求和。
在任意前述内容的另外的示例中，计算装置包括第二计算装置，该第二计算装置被配置为基于差的和来确定建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
在任意前述内容的另外的示例中，第一计算装置是气候系统控制器，并且第二计算装置是气候系统的一个或多个部件的控制器。
在前述内容的另外的示例中，计算装置被配置为基于一个或多个可调节参数来确定一个或多个操作变量的设定点。
在任意前述内容的另外的示例中，计算装置被配置为基于与气候系统有关的实时动态信息来调节一个或多个可调节参数。
在任意前述内容的另外的示例中，与气候系统有关的实时动态信息由建筑物中的一个或多个传感器提供给计算装置。
在任意前述内容的另外的示例中，气候系统的一个或多个部件包括冷却器和泵以及空气处理单元中的至少一种。
在任意前述内容的另外的示例中，建筑物中气候的当前方面是建筑物内的当前空气温度。该方面的设定点是温度设定点。
在任意前述内容的另外的示例中，一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
在任意前述内容的另外的示例中，气候系统的一个或多个部件包括冷却器和泵以及空气处理单元中的至少一种。
在任意前述内容的另外的示例中，一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
附图说明
图1a示意性地示出了具有气候系统的建筑物。
图1b示意性地示出了具有多个气候区域的图1a的建筑物。
图2示意性地示出了用于控制图1a至图1b的建筑物的气候的方法。
具体实施方式
图1示意性地例示了用于建筑物18的示例气候系统20。气候系统20包括一个或多个冷却器22。冷却器22可以是任何已知类型的冷却器。尽管图1中示出了一个冷却器22，但应当理解，气候系统20可以包括多于一个的冷却器22。冷却器22包括冷却器控制器24。冷却器22可操作为使水冷却以用于冷却建筑物。一个或多个泵26将冷却的水从冷却器22泵送到一个或多个空气处理单元28，该一个或多个空气处理单元利用冷却的水来冷却用于建筑物18的空气。尽管图1a中示出了一个泵26和一个空气处理单元28，但应当理解，气候系统20可以包括更多个泵26和/或更多个空气处理单元28。例如，建筑物18可以在每一层上包括空气处理单元28。泵26和空气处理单元28(分别)还包括控制器30、32。尽管示例气候系统20包括冷却器22、泵26和空气处理单元28，但是其他气候系统20可以包括本领域中已知的其他部件。
如本领域中已知的，冷却器22、泵26和空气处理单元28中的每一种可以包括一个或多个电气子部件36。例如，空气处理单元28可以包括如本领域中已知的使得空气处理单元28能够调节空气的一个或多个马达、热交换器、除湿器等。相应的控制器24、30、32可操作为控制这些子部件36。
气候系统20还包括气候系统控制器34。冷却器控制器24、泵控制器30和空气处理单元控制器32可操作为与气候系统控制器34通信。气候系统控制器34还可操作为与电源(在一些实例中为电网)和热力源(诸如燃气设施)连通。冷却器22、泵26和空气处理单元28的子部件36利用电力和/或热力，并且气候系统控制器34控制对冷却器22、泵26和空气处理单元28的电/热力的分配。气候系统控制器34还可操作为经由冷却器22、泵26和空气处理单元28的相应的控制器24、30、32来控制它们的运行，以控制建筑物18中的气候。本文中讨论的每个控制器包括计算装置，诸如处理器和/或电子器件，其被编程使得控制器可操作为如本文中所讨论的那样执行。此外，如本领域中已知的，本文中讨论的控制器可以包括自动PID(比例积分微分)能力，其利用控制回路反馈机制来控制过程和变量。
图1b示出了具有三个区域-区域1、区域2和区域3的示例建筑物18。每个区域包括空气处理单元28(AHU)。在一个示例中，每个区域中的空气处理单元28共同作用以累积地影响建筑物18中的空气温度。在另一示例中，各个空气处理单元28服务于它们相应的建筑物18的区域。区域可以被定义为建筑物18的层、建筑物18的房间或以其他方式定义。在一些示例中，每个区域有自己的气候要求。每个区域中的空气处理单元28与气候系统控制器34通信。在该示例中，每个区域具有温度传感器44和接口46(在下面更详细地讨论)。
建筑物18气候的各个方面受到气候系统34的影响。例如，建筑物内的空气温度、建筑物18内的空气湿度、建筑物18内的水温或对于本领域普通技术人员来说显而易见的其他参数。尽管出于示例性目的而针对建筑物18内的温度做出了随后的公开，但是应当理解，本公开适用于建筑物18气候的任何方面。
关于建筑物18内的温度，空气处理单元28从空气供应部38接收空气，在一些示例中，该空气供应部从建筑物18的外部抽吸或混合空气。空气处理单元28经由子部件36诸如热交换器来调节(例如冷却或加热)来自空气供应部38的空气，如本领域中已知的。例如，如上文所讨论的，空气处理单元28中的热交换器可以使用通过泵26从冷却器22提供的冷却水来冷却空气。作为另一示例，空气处理单元28中的热交换器可以使用来自热能源的热能来加热空气。
空气处理单元28经由导管40将经调节的空气提供给建筑物18，上述导管贯穿建筑物18连接到通风口42。空气处理单元控制器32被配置为控制其相应的空气处理单元28，以经由通风口42向建筑物18提供选定的流率和温度，来影响建筑物18内的空气的温度。例如，为了冷却建筑物18内的空气，空气处理单元28提供比建筑物18内的空气冷的经调节的空气。为了加热建筑物18内的空气，空气处理单元28提供比建筑物18内的空气热的经调节的空气。由空气处理单元28提供的经调节空气的流率与温度成反比，这将在下面更详细地讨论。
更特别地，建筑物18具有选定的空气温度T选定(也称为设定点)。可以预先确定设定点并将其编程到空气处理单元控制器32和/或气候系统控制器34中。设定点可以随时间变化。在一些示例中，根据一天中的时间预先确定温度。例如，可以预先确定建筑物18的高占用时间期间的温度来为占用者提供舒适感。可以预先确定低占用或无占用时间期间的温度以减少气候系统20的能量消耗。在另一示例中，选定的空气温度可以由建筑物18中的用户经由接口46(例如恒温器)输入建筑物18中，并且直接地或经由气候系统控制器34传送到空气处理单元控制器32。如图2所示，在一个示例中，每个区域包括接口46，并且每个区域中的接口46与该区域中的空气处理单元控制器32和/或气候系统控制器34通信。在另一示例中，选定的空气温度是由气候系统控制器34基于(预先确定的、输入的或自学的)占用者舒适感要求和来自电源的信息来选择的。在又一示例中，根据前述示例的任意组合来选择设定点。T选定在每个区域中可能有所不同，以适应建筑物中的各个区域和位置的使用(例如，暴露在直射阳光下的区域)。
建筑物还具有当前空气温度T当前。当前空气温度T当前可以从建筑物18中的温度传感器46被直接提供给气候系统控制器34。如图2所示，在一个示例中，每个区域包括传感器44，并且每个区域中的传感器44与该区域中的空气处理单元控制器32和/或气候系统控制器34通信。
如图2所示，根据方法200，气候系统控制器34被配置为引导空气处理单元控制器32操作空气处理单元28，以便使建筑物18中的当前温度T当前接近温度设定点T选定。如上文所讨论的，根据特别区域的气候要求，空气处理单元28可以共同工作或者可以单独地工作。
现在转到图2，在步骤202中，方法200开始。在一些示例中，方法200自动地或者在没有任何用户输入的情况下开始。在其他示例中，方法200可以在预定时间开始。在其他示例中，方法200可以连续地进行。
在步骤204中，气候系统控制器34确定建筑物18的一个或多个区域中的温度设定点T选定与当前空气温度T当前之间的差ΔTi。取决于差ΔTi，气候系统控制器34确定建筑物18的每个区域是否需要冷却或加热。
在步骤206中，气候系统控制器34根据等式1对建筑物18的需要加热的每个区域的ΔTi求和，来为建筑物18提供合计的ΔT加热，其中n加热是建筑物18中需要加热的区域的数量：
Figure BDA0002465007360000071
在步骤206中，气候系统控制器34还根据等式2对建筑物18的需要冷却的每个区域的ΔTi求和，来为建筑物18提供合计的ΔT冷却，其中n冷却是建筑物18中需要冷却的区域的数量：
Figure BDA0002465007360000072
合计的ΔT加热和ΔT冷却与建筑物18的电/热力需求有关。即，合计的ΔT加热和ΔT冷却越大，则将需要越多的电/热力来操作气候系统20的部件，以使建筑物18(或各个区域)中的当前温度T当前接近温度设定点T选定。
建筑物18的每个部件包括具有可控变量的各种输出。例如，空气处理单元28输出空气，其具有目标调节空气温度和流率的可控变量。作为另一示例，冷却器22输出冷却水，其具有冷却水温度的可控变量。作为第三示例，泵26输出水，其具有可控制的水压变量。输出还取决于为建筑物18的区域中的部件选定的加热或冷却模式。例如，在温暖的月份中，建筑物18的部件可以处于与某些建筑物18部件及其相应的输出/可控变量相关联的冷却模式，而在寒冷的月份中，建筑物18的部件可以处于与某些建筑物18部件及其相应的输出/可控变量相关联的加热模式。在另一示例中，部件可以被配置为以多种加热或冷却模式运行。
来自气候系统控制器34的方向可以包括这些变量的目标设定点。在另一示例中，来自气候系统控制器34的方向包括信息，使得相应的控制器24、30、32可以基于该信息来选择变量的设定点。
根据等式3，对于任何变量V，在时间(t)处定义设定点Vsp，其中τs是采样时间，并且Kp和α是用于优化气候系统20的控制的可调节参数。
Figure BDA0002465007360000081
在一个示例中，根据等式4选择采样时间τs：
Figure BDA0002465007360000082
其中m_最大是从通风口42进入建筑物18的空气的最大流率。
参数Kp是比例校正参数，例如，它与校正或改变的量有关，与在时间t-1处的Vsp相比，将在时间t处产生Vsp。换句话说，Kp与变量V改变的速度相关，以便使建筑物18中的当前温度T当前接近温度设定点T选定。更特别地，Kp与用于控制建筑物18的气候的可接受误差有关。如果占用者的不适感较高，则可以接受较大的误差，并且Kp较高，使得校正量较大，进而，T当前会较快地接近温度设定点T选定。在该示例中，根据等式5计算Kp：
Figure BDA0002465007360000083
其中λ是体现建筑物18气候在稳态下的％误差的参数。例如，如果5％的误差是可接受的，则λ＝0.05。如果较小的误差是可接受的，则λ为较低的值。然而，在其他示例中，λ可以表达为误差的一阶或二阶模型，如本领域中已知的。
当满足占用者的舒适感时，例如，T当前与T选定相同或非常接近，采样时间τs可以调整，这将在下面更详细地讨论。采样时间τs根据等式6来定义：
Figure BDA0002465007360000091
其中V建筑物、ρ和m_最小是与建筑物18的物理特征相关的参数。V建筑物是建筑物18的总体积，ρ是建筑物18内的空气密度，并且m_最小是从通风孔42进入建筑物18的最小空气流率。
如以上在等式5中所示出的，参数Kp取决于采样时间τs。因此，如果根据调节而定义了新的采样时间τs，则也会产生新的参数Kp。
在另一示例中，τs是由气候系统控制器34根据等式7连续计算的连续自适应参数：
Figure BDA0002465007360000092
其中m_测量是从通风口42进入建筑物18中的空气的当前输送流率，可以经由一个或多个通风口34处的传感器或监测器将其提供给气候系统控制器。
参数α是大小调整参数，应用该参数使得上面等式3中的温度值处于相同或相似的数量级。例如，ΔT(t)可以是大约0-5摄氏度，然而，在变量V是空气处理单元28的输出温度的情况下，Vsp(t)为20-30摄氏度。在该示例中，α可以选择为0.1。
在步骤208中，根据等式3确定一个或多个变量V的设定点。如上文所讨论的，变量V的设定点可以由气候系统控制器34确定，并传送给控制器24、30、32。在另一示例中，变量V的设定点由控制器24、30、32基于来自气候系统控制器34的信息来确定。
在步骤210中，使用与气候系统20有关的动态信息实时地调节可调节参数Kp和α-它们在等式3中被考虑用于可变设定点确定。例如，如上文所讨论的，基于占用者的舒适感/不适感来选择新的τs值，或者基于来自通风口42处的传感器或监测器的信息如以上等式7中那样来更新该值。进而，当如上文所讨论地选择新的Kp值时，可以更新参数τs。在一个示例中，如上文所讨论的，通过控制器24、30、32处的PID实现调节。在一个更特别的示例中，PID控制问题为速度形式，这意味着明确考虑了变化率。
当在步骤210中调节可调节参数时，方法200连续地执行步骤208。
在步骤212中，控制器24、30、32根据可变的V设定点来操作它们相应的部件，以使建筑物18中的当前温度T当前接近温度设定点T选定。
方法200然后返回到步骤204。
当选定新的温度设定点T选定时-这是由于可变的V设定点随着方法200重复而被持续更新-变量V的设定点的量化允许气候系统20的快速响应。随着气候系统20的运行，当T当前靠近温度设定点T选定时，在T当前满足温度设定点T选定之前可能存在滞后。变量V的持续更新考虑了该滞后，并避免了超过温度设定点T选定。这进而引起气候系统20更有效地利用电/热力，并且减少了建筑物18中的占用者不适感出现的可能性(例如，由于超过期望的温度设定点T选定)。此外，除了在一些示例中定义温度设定点T选定(如上文所讨论的)之外，不需要其他用户输入来调节气候系统20的控制。
此外，应当理解，前述方法适用于控制气候系统20以满足除温度设定点T选定之外的建筑物设定点。例如，前述方法也可以用于控制气候系统20以满足空气湿度设定点、建筑物气压设定点、建筑物水设定点(例如，温度、流率等)或其他设定点。
前面的描述本质上是示例性的而不是限制性的。对所公开的示例做出的变化和修改对于本领域技术人员而言可以变得显而易见，所述变化和修改未必脱离本公开的实质。给予本公开的法律保护范围只能通过研究所附权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种控制建筑物的气候的方法，其包括：
针对建筑物的一个或多个区域确定所述建筑物中气候的当前方面与所述建筑物中气候的所述方面的设定点之间的差；
在气候系统控制器处对所述差求和；以及
基于所述差的和来确定所述建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述一个或多个操作变量的设定点的步骤是基于一个或多个可调节参数的。
3.如权利要求2所述的方法，其还包括：基于与所述气候系统有关的实时动态信息来调节所述一个或多个可调节参数。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述建筑物中气候的当前方面是所述建筑物内的当前空气温度，并且其中所述方面的设定点是温度设定点。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述气候系统的所述一个或多个部件包括冷却器、泵和空气处理单元中的至少一种。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个操作变量包括来自所述空气处理单元的经调节空气的温度。
8.一种用于建筑物的气候系统，其包括：
计算装置，所述计算装置被配置为：针对建筑物中的一个或多个区域确定所述建筑物中气候的当前方面与所述建筑物中气候的所述方面的设定点之间的差；对所述差求和；并且基于所述差的和来确定所述建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
9.如权利要求8所述的气候系统，其中所述计算装置是气候系统控制器。
10.如权利要求8所述的气候系统，其中所述计算装置包括第一计算装置，所述第一计算装置被配置为确定建筑物中气候的当前方面与所述建筑物中气候的所述方面的设定点之间的差并对所述差求和。
11.如权利要求10所述的气候系统，其中所述计算装置包括第二计算装置，所述第二计算装置被配置为基于所述差的和来确定所述建筑物中气候系统的一个或多个部件的一个或多个操作变量的设定点。
12.如权利要求11所述的气候系统，其中所述第一计算装置是气候系统控制器，并且所述第二计算装置是所述气候系统的所述一个或多个部件的控制器。
13.如权利要求8所述的气候系统，其中所述计算装置被配置为基于一个或多个可调节参数来确定所述一个或多个操作变量的设定点。
14.如权利要求13所述的气候系统，其中所述计算装置被配置为基于与所述气候系统有关的实时动态信息来调节所述一个或多个可调节参数。
15.如权利要求14所述的气候系统，其中与所述气候系统有关的所述实时动态信息由所述建筑物中的一个或多个传感器提供给所述计算装置。
16.如权利要求8所述的气候系统，其中所述气候系统的所述一个或多个部件包括冷却器和泵以及空气处理单元中的至少一种。
17.如权利要求8所述的气候系统，其中所述建筑物中气候的当前方面是所述建筑物内的当前空气温度，并且其中所述方面的设定点是温度设定点。
18.如权利要求17所述的气候系统，其中所述一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
19.如权利要求8所述的气候系统，其中所述气候系统的所述一个或多个部件包括冷却器和泵以及空气处理单元中的至少一种。
20.如权利要求19所述的气候系统，其中所述一个或多个操作变量包括来自空气处理单元的经调节空气的温度。
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