FI126110B - Menetelmä, laitteisto ja tietokoneohjelmatuote toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä - Google Patents

Description

Menetelmä, laitteisto ja tietokoneohjelmatuote toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä

Keksinnön kohteena on menetelmä, laitteisto ja tietokoneohjelmatuote lämmön-säätelylaitteen toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä kohteessa. Lämmönsäätelylaitteilla lämmitetään tai jäähdytetään erilaisia kohteita kuten rakennuksia ja niiden huoneita. Lämmönsäätelylaitteita ovat esimerkiksi nestekier-toiset patterit, erilaiset sähkölämmittimet, lattia- tai kattolämmitysjärjestelyt, ilmastointilaitteet ja muut vastaavat laitteet, joilla pyritään säätämään kohteen lämpötila halutuksi. Lämmitys tehdään joko tuottamalla lämpöä paikan päällä tai tuomalla sitä kohteen ulkopuolelta. Lämmönsäätelylaitteita voidaan säätää toimimaan eri tehoilla. Lämmönsäätelylaitteiden ohjaaminen on tunnetusti varsin hankalaa. Vaihtelevat olosuhteet aiheuttavat helposti niiden yli- tai alikuumenemisen, jotka voivat johtaa laitteen itsenäiseen oskillointiin tai vierekkäisten laitteiden keskinäiseen oskillointiin sekä käyttäjän tekemiin lisäsäätöihin, jotka voivat pahentaa tilannetta. Lisäksi lämmönsäätelylaitteet tuhlaavat helposti energiaa, esimerkiksi huoneen tuulettamisen yhteydessä, jolloin laite saattaa luulla lämpötilan huoneessa pudonneen ja yrittää korjata tilannetta liiallisella lisälämmittämisellä. Lämmönsäätelyjärjestelmä koostuu useammasta lämmönsäätelylaitteesta ja niitä ohjaavasta laitteistosta. Lämmönsäätelylaitteiden tehoa ohjataan huonesäätimellä sen sisältämän tai erillisen toimilaitteen kautta. Lämmönsäätelylaitteella on tietty tehoalue, jota voidaan säädellä toimilaitteen avulla. Kun toimilaite on säädettynä maksimikohtaansa, lämmönsäätelylaite toimii maksimitehollaan, ja kun toimilaite on minimikohdas-saan, lämmönsäätelylaite ei tuota tehoa. Lämmönsäätelyssä huonesäätimessä voi olla lämpösensori tai yhteys lämpösensoriin, joka mittaa kohteen, jonka lämpötilaa pyritään säätämään, lämpötilaa. Huonesäätimelle voidaan antaa myös asetus-lämpötila, johon lämmitettävän kohteen lämpötilan toivotaan asettuvan. Huo-nesäädin säätää toimintaansa niin, että ohjattava lämmönsäätelylaite toimii niin, että kohteen lämpötila olisi mahdollisimman lähellä annettua asetuslämpötilaa. Huonesäätimen ja toimilaitteen toiminta ja rakenne riippuvat ohjattavasta lämmönsäätelylaitteesta sekä ohjausautomaation määrästä ja kompleksisuudesta. Yksinkertaisimmillaan toimilaite on venttiilimoottori, jolla säädetään lämmönsäätelylait-teeseen pääsevän lämmitysaineen määrää.

Kuvassa 2 on esitetty esimerkki tunnetun tekniikan mukaisesta järjestelystä toimilaitteen ohjaamiseksi. Siinä on huonelämpötila-anturi 201, huonesäädin 202, toimilaite 203 ja lämmönsäätelylaite 204. Huonesäädin mittaa vallitsevan lämpötilan huonelämpötila-anturilla ja sille annetaan jokin tavoitelämpötila, johon kohteen lämpötilan halutaan asettuvan. Näiden tietojen perusteella huonesäädin määrittelee ohjaussignaalin, jolla se ohjaa toimilaitetta. Ohjaussignaalin arvo ja muoto riippuu toimilaitteen rakenteesta ja toiminnasta. Toimilaite ohjaa lämmönsäätely-laitetta saamansa ohjaussignaalin mukaan. Esimerkiksi sähköllä toimivassa lattia-lämmityksessä lämmitys kytketään päälle kunnes toivottu lämpötila on saavutettu, jolloin sähkön syöttö vastukselle lopetetaan. Tämän jälkeen kohteen lämpötilaa seurataan kunnes se on laskenut asetetun lämpötilan alapuolelle, jolloin aletaan uudestaan lämmittää. Koska lattialämmityksessä on viiveitä, on mahdollista, että lattia pääsee jäähtymään tai kuumenee liikaa.

Patenttijulkaisu WO 2008/029987 käsittelee automaattista lämmönsäätelymene-telmää, jossa kohteena oleva huoneisto tai rakennus jaetaan lämpötilavyöhykkei-siin, joiden lämpötilaa valvotaan kontaktittomilla sensoreilla. Kullekin lämpötila-vyöhykkeelle voidaan antaa oma asetuslämpötila. Sensoreiden antamien tulosten perusteella lämpötilavyöhykkeiden lämpötilaa pyritään säätämään asetuslämpöti-laan ohjaamalla kohteen lämmitys- ja ilmastointilaitteita. Tässä ei ole kuitenkaan pyritty hallitsemaan lämmityslaitetta, vaan on hyvin mahdollista, että se alkaa os-killoida, eli se toimii ensin täydellä tehollaan, jolloin lämmitysviiveiden vuoksi läm-pötilavyöhyke voi ylilämmitä, jolloin laite sammutetaan, jolloin vyöhyke voi ehtiä jäähtyä. On myös mahdollista, että tässä tapauksessa lämmitys ja ilmastointi alkavat toimia vuorotellen. Tämä on energiaa tuhlaavaa ja voi olla epämiellyttävää kyseisellä lämpötilavyöhykkeellä olijalle.

Patenttijulkaisussa US 2005/0234596 kuvataan menetelmä jossa kohteen, kuten rakennuksen, lämmönsäätelyä ohjataan ulkoisten muuttujien avulla. Kuten edellisessä julkaisussa, ei tässäkään ole huomioitu lämmönsäätelylaitteiden taipumusta oskillointiin.

Keksinnön tavoitteena on ratkaisu, jolla voidaan merkittävästi vähentää tunnettuun tekniikkaan liittyviä haittoja ja epäkohtia.

Keksinnön mukaiset tavoitteet saavutetaan menetelmällä ja laitteistolla, joille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön pääajatuksena on asettaa kohteen lämmönsäätelylaitteen ohjaukselle dynaamiset toimintarajat, joiden avulla skaalataan lämmönsäätelylaitteen teho-alue. Tällöin myös lämmöntuotolle asetetaan ohjauksen dynaamiset rajat, jotka muuttuvat ulkoisten muuttujien perusteella, ja joiden rajojen avulla skaalattu teho-alue on pienempi kuin lämmönsäätelylaitteen rajoittamaton tehoalue. Näin voidaan esimerkiksi estää lämmönsäätelylaitteen tarpeeton oskillointi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ohjataan lämmönsäätelylaitteen toimilaitetta lämpötilan säätelemiseksi kohteessa. Toimilaitteen ohjaamiseksi on kolme sää-tölohkoa: ensimmäinen säätölohko, toinen säätölohko ja kolmas säätölohko. Sää-tölohkolla tarkoitetaan tässä toiminnallista kokonaisuutta, joka keskittyy jonkin tietyn osa-alueen toiminnan säätelyyn. Säätölohkot voidaan toteuttaa erilaisilla laitteilla tai laitteiden yhdistelmillä tai laitteissa tai laitteessa toimivilla ohjelmilla.

Menetelmässä lasketaan dynaamiset toimintarajat, ainakin maksimi ja minimi, skaalausvakioiden ja skaalausmuuttujien perusteella. Dynaamiset toimintarajat muuttuvat skaalausmuuttujien perusteella. Esimerkiksi ulkolämpötilan laskiessa, dynaamisten toimintarajojen maksimi voi kasvaa. Ohjaussignaali on verrannollinen asetuslämpötilaan, johon kohteen tai sen osan lämpötilan halutaan asettuva. Menetelmässä luetaan dynaamiset toimintarajat ja ohjaussignaali ja lasketaan lähtösignaali toimilaitteen ohjaamiseksi skaalaamalla ohjaussignaali dynaamisilla toimintarajoilla ja ohjataan toimilaitetta, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta, läh-tösignaalin perusteella. Eli lähtösignaali voi vaihdella dynaamisen toimintarajan minimistä dynaamisen toimintarajan maksimiin.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä suoritusmuodossa ensimmäisen säätö-lohkon muistissa olevat skaalausvakiot määräytyvät kohteen rakenteiden ja mitoituksen perusteella. Skaalausvakioihin vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi ikkunoiden koko, jäähtyvien pintojen pinta-ala, rakenteiden materiaali, rakenteiden lämmönvuotovakiot, lämmönjohtoviiveet ja lämmitystehon mitoitus.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä toisessa suoritusmuodossa skaalaus-muuttujia on ainakin joku seuraavista: kohteen, jossa lämmönsäätelylaite on, ulko-lämpötila; tuuliolosuhteet, kuten nopeus ja suunta; pilvisyys; ulkokosteus; sisäkos-teus; ilmanpaine; kohteen asukkaiden läsnäolo; kellonaika; ulkoisten olosuhteiden muuttama rakennevakio ja mainittujen skaalausmuuttujien ennusteet.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä kolmannessa suoritusmuodossa kohteessa on useampia osia ja kullakin osalla on oma ohjaussignaalinsa. Kohteen osalle annetaan asetuslämpötila, joka on lämpötila johon kohteen osan lämpötilan halutaan asettuvan. Lisäksi mitataan kohteen lämpötila. Asetuslämpötilan ja mitatun lämpötilan perusteella lasketaan ohjaussignaali.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä neljännessä suoritusmuodossa ohjaussignaalin skaalaamisessa käytetään ainakin dynaamisen toimintarajan maksimin ja dynaamisen toimintarajan minimin muodostamaa käyrää, jossa ohjaussignaalin maksimiarvolla lähtösignaali saa dynaamisen toimintarajan maksimin ja ohjaussignaalin minimiarvolla lähtösignaali saa dynaamisen toimintarajan minimin ja ohjaussignaalin maksimi- ja minimiarvojen välisillä arvoilla lähtösignaali saa käyrältä sitä vastaavan arvon.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä viidennessä suoritusmuodossa käyrä on lineaarinen. Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä kuudennessa suoritusmuodossa käyrä on epälineaarinen. Tällöin dynaamisten toimintarajojen laskemisessa lasketaan myös dynaamisen maksimin ja dynaamisen minimin välisiä pisteitä ja käyrä tehdään näiden pisteiden avulla. Käyrä voidaan myös interpoloi-da jollain kaavalla tai algoritmilla.

Keksinnön mukaisessa laitteistossa lämmönsäätelylaitteen toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyä varten kohteessa laitteistossa on kolme säätölohkoa: ensimmäinen säätölohko, toinen säätölohko ja kolmas säätölohko. Säätölohkot ovat toiminnallisia yksiköitä, jotka ovat mukana lämmönsäätelyjärjestelmässä. Ne voidaan sisällyttää lämmönsäätelyjärjestelmään itsenäisinä laitteina tai ne toimivat lämmönsäätelyjärjestelmän jo valmiissa osissa, kuten sen keskus- ja ohjausyksiköissä ja muissa laitteissa. Ainakin osa säätölohkojen toiminnoista on toteutettavissa lämmönsäätelyjärjestelmän laitteiden prosessoreissa suoritettavina käskysarjoina.

Ensimmäisessä säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori, välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa. Ensimmäisen säätölohkon muistissa on skaalausvakiot, jotka on tallennettu esimerkiksi laitteiston kalibroinnissa tai käyttöönotossa. Skaa-lausvakioita voidaan tarvittaessa muuttaa, mutta yleisesti ne pysyvät vakiona. Ensimmäiseen säätölohkoon luetaan skaalausmuuttujat. Tämä voidaan tehdä automaattisesti, mutta ainakin osa voidaan syöttää manuaalisesti. Ensimmäisen säätölohkon prosessori laskee dynaamiset toimintarajat, maksimin ja minimin, skaa-lausmuuttujien ja skaalausvakioiden perusteella. Toisessa säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori, välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa, ja toinen säätö-lohko on järjestetty tuottamaan ohjaussignaalin arvon ja tallettamaan sen tarvitta essa muistiin. Tämä ohjaussignaali on verrannollinen kohteen lämpötilaan ja lämpötilan asetusarvoon, johon kohteen lämpötilan halutaan asettuvan. Kolmannessa säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori, välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa, ja kolmas säätölohko on järjestetty lukemaan ensimmäiseltä säätölohkolta dynaamiset toimintarajat ja toiselta säätölohkolta ohjaussignaalin ja laskemaan lähtösignaalin toimilaitteen ohjaamiseksi skaalaamalla ohjaussignaalin dynaamisilla toimintarajoilla ja ohjaamaan toimilaitetta, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta, lähtösignaalin avulla.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä suoritusmuodossa ensimmäisen säätö-lohkon muistissa olevat skaalausvakiot on talletettu laitteiston kalibroinnissa tai käyttöönotossa ja määräytyvät rakenteiden tai mitoitusten perusteella. Skaalaus-vakioihin vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi ikkunoiden koko, jäähtyvien pintojen pinta-ala, rakenteiden materiaali, rakenteiden lämmönjohtoviiveet ja lämmitystehon mitoitus.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä toisessa suoritusmuodossa ensimmäisen säätölohkon skaalausmuuttujat on järjestetty luettavaksi tai syötettäväksi säätö-lohkon ulkopuolelta ja skaalausmuuttujia on ainakin joku seuraavista: kohteen, jossa lämmönsäätelylaite on, ulkolämpötila; tuuliolosuhteet, kuten nopeus ja suunta; pilvisyys; ulkokosteus; sisäkosteus; ilmanpaine; kohteen asukkaiden läsnäolo; kellonaika ja mainittujen skaalausmuuttujien ennusteet.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä kolmannessa suoritusmuodossa kohteessa on useampia osia ja kullakin osalla on oma toinen säätölohkonsa, jolla on keinot järjestää lämpötilan asetusarvo kirjoitettavaksi tai luettavaksi säätölohkon ulkopuolelta. Toinen säätölohko on myös järjestetty lukemaan kohteen osan lämpötila tai lämpötiloja.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä neljännessä suoritusmuodossa lähtösig-naali on järjestetty ohjaamaan toimilaitetta, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta, ja lämmönsäätelylaitteen ohjattavia suureita on ainakin yksi seuraavista: lämmitys-teho, pulssien pituus, pulssien välinen aika, venttiilin asento, nesteen virtausnopeus tai edellä mainittujen yhdistelmä.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä viidennessä suoritusmuodossa ensimmäinen säätölohko on yhteinen koko kohteelle tai ainakin osalle kohteen osista. Tällöin ensimmäinen säätölohko voi olla esimerkiksi laitteistoa ohjaavassa keskusyksikössä, joka on tietokone tai vastaava laite. Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä kuudennessa suoritusmuodossa kolmas säätölohko on yhteinen ainakin osalle kohteen osista. Tällöin sama säätölohko voi ohjata useampaa lämmönsää-telylaitetta yhtä aikaa tai vuorotellen. Kolmas säätölohko voi olla samassa laitteessa kuin ensimmäinen säätölohko. Tällöin ensimmäinen säätölohko ja kolmas säätölohko voivat käyttää samoja prosessoreita ja muisteja.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä seitsemännessä suoritusmuodossa ainakin osa säätölohkoista tai säätölohkojen toimista on toteutettavissa samassa laitteessa. Tämä laite voi olla tietokone tai sulautettu järjestelmä.

Keksinnön mukaisen laitteiston eräässä kahdeksannessa suoritusmuodossa ainakin osa lohkojen toiminnoista on toteutettavissa algoritmeina, jotka on tallennettu muistiin ja suoritetaan prosessorissa. Nämä muisti ja prosessori voivat olla keskusyksikössä tai muussa laitteiston toimintaa ohjaavassa laitteessa.

Keksinnön mukaisessa tietokoneohjelmatuotteessa lämmönsäätelylaitteen toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä lämmönsäätelyjärjestelmän muistiin tallennetun tietokoneohjelmatuotteen suorittaminen sen prosessorissa saa aikaan seuraavanlaisia toimintoja. Skaalausmuuttujia luetaan ulkopuolisesta lähteestä ja skaalausvakiot luetaan muistista, ja lasketaan dynaamiset toimintarajat, joita ovat ainakin maksimi ja minimi, skaalausvakioiden ja skaalausmuuttujien perusteella. Luetaan ohjaussignaalin arvo. Lasketaan lähtösignaali skaalaamalla ohjaussignaali dynaamisilla toimintarajoilla ja ohjataan toimilaitetta, joka ohjaa lämmönsää-telylaitetta, lähtösignaalin perusteella.

Keksinnön etuna on, että sillä saavutetaan energiatehokkuutta, kun pystytään välttämään turhaa lämmittämistä tai ilmastointia. Sillä saavutetaan myös helposti tarkka, nopea ja vakaa säätö. Keksintö on myös yksinkertainen, jolloin sitä voidaan käyttää pienikapasiteettisilla laitteilla.

Lisäksi keksinnön etuna on, että tällä saadaan lämpötila pysymään tasaisempana, jolloin viihtyvyys paranee.

Edelleen keksinnön etuna on, että sen avulla pystytään parantamaan hidasvas-teisten lämmitysmenetelmien, kuten lattialämmitys, toimivuutta.

Keksinnön etuna on myös se, että se on sovitettavissa erilaisiin lämmitysmene-telmiin ja -laitteisiin.

Keksinnön etuna on se, että se mahdollistaa lämmitysjärjestelmän hallitsemisen nopeasti muuttuvissa tilanteissa ja sillä voidaan estää mahdollisia virhetoimintoja.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen menetelmän vuokaaviota, kuva 2 esittää tunnetun tekniikan mukaista säätöä, kuva 3 esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisia säätölohkoja, kuva 4 esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisia dynaamisia toimintarajoja ulkolämpötilan funktiona ja kuva 5 esittää esimerkinomaisesti käyrän keksinnön mukaisesta lähtösignaalin skaalauksesta.

Kuvassa 1 on esitetty esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen menetelmän vuo-kaavio. Vaiheessa 101 aloitetaan lämmönsäätelylaitteen toimilaitteen ohjaaminen. Vaiheessa 102 luetaan skaalausmuuttujat. Nämä voidaan lukea automaattisesti, kuten esimerkiksi ulkolämpötila, ilmanpaine ja tuulen nopeus, tai ne voidaan syöttää manuaalisesti, kuten esimerkiksi ennusteet tai kohteen käyttöaste. Manuaalinen syöttö voidaan tehdä esimerkiksi tietokoneella tai tekstiviestillä tai lämmön-säätelyjärjestelmän hallintalaitteella. Skaalausmuuttujien lukemisen yhteydessä luetaan muistista skaalausvakiot. Joitain skaalausmuuttujia voidaan pitää skaa-lausvakioina, kuten esimerkiksi kohteen asukkaiden lukumäärä, ja sitä muutetaan vain tarvittaessa.

Vaiheessa 103 lasketaan skaalausmuuttujien ja skaalausvakioiden perusteella dynaamiset toimintarajat. Dynaamisella tarkoitetaan tässä sitä, että muuttujien muuttuessa myös toimintarajat muuttuvat. Toimintarajojen laskuissa käytetään ennalta talletettuja skaalausmuuttujiin ja skaalausvakioihin perustuvia kaavoja. Toimintarajoissa on ainakin maksimi Dmax ja minimi Dmin. Yksinkertaisimmillaan lasketaan vain maksimiarvo ja pidetään minimiä vakiona. Joissain tapauksissa voidaan laskea useampia arvoja. Edullisesti toimintarajojen arvot voidaan esittää prosentti- tai suhdelukuina. Tällöin ne kuvaavat lämmönsäätelyn ohjauksen suuruutta, jossa 100 % tarkoittaa lämmönsäätelylaitteen toimivan täydellä tehollaan, O % tarkoittaa, ettei se tuota lainkaan tehoa, ja esimerkiksi 50 % kuvaa luonnollisestikin, että tehoa on puolet mahdollisesta.

Vaiheessa 104 muodostetaan dynaamisten toimintarajojen pisteillä skaalaus-käyrä. Skaalauskäyrä on yleensä lineaarinen, mutta voidaan käyttää myös epälineaarisia skaalauskäyriä, jolloin skaalauskäyrä voi esimerkiksi olla useamman eri kulmakertoimisen suoran yhdistelmä. Skaalauskäyrän yhdellä akselilla on ohjaussignaali ja toisella akselilla lähtösignaali.

Vaiheessa 105 luetaan ohjaussignaali.

Vaiheessa 106 ohjaussignaali skaalataan skaalauskäyrällä lähtösignaaliksi. Ohjaussignaalin arvo sijoitetaan ohjaussignaaliakselille ja luetaan skaalauskäyrältä sitä vastaava lähtösignaalin arvo lähtösignaaliakselilta.

Vaiheessa 107 ohjataan toimilaitetta, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta, lähtösignaalin perusteella.

Vaiheessa 108 menetelmän käyttö lopetetaan. Käytössä menetelmän mukainen skaalaustoiminta voidaan toistaa esimerkiksi tietyin väliajoin tai jos kohteen jossain osassa on muutettu skaalausmuuttujia tai skaalausvakioita tai on havaittu muita muutoksia.

Kuvassa 3 esitetään esimerkki keksinnön mukaisesta lämmönsäätelyjärjestelystä. Tämä koostuu lämpötila-anturista 301, ensimmäisestä säätölohkosta 304, toisesta säätölohkosta 302, kolmannesta säätölohkosta 305, toimilaitteesta 303 ja läm-mönsäätelylaitteesta 306. Yksinkertaisuuden vuoksi tässä on vain yksi kohteen osa. Kohteessa, jossa on useampia osia, kullakin osalla voi olla oma huonesääti-mensä. Huonesäätimien lämpötilan asetus voidaan toteuttaa myös keskitetysti. Kullakin kohteen osalla on oma toimilaitteensa ja lämmönsäätelylaitteensa.

Kuvassa 3 lämpötila-anturi 301, ensimmäinen säätölohko 304, toinen säätölohko 302, kolmas säätölohko 305, toimilaite 303 ja lämmönsäätelylaite 306 ovat kohteen, jonka lämpöä säädellään, esimerkiksi rakennus, jossain osassa, kuten huoneessa. Ensimmäinen säätölohko 304 määrittelee ohjauksen dynaamiset toiminta-rajat ja se voi antaa nämä rajat useammalle samankaltaiselle kokonaisuudelle. Ensimmäisellä säätölohkolla on ainakin muisti, prosessori ja välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa. Ensimmäisellä säätölohkolla on talletettuna muistissaan skaa-lausvakiot ja se voi lukea tarvitsemansa skaalausmuuttujat, joko automaattisesti tai manuaalisesti syötettyinä tai näiden yhdistelmänä. Skaalausvakioiden ja skaa- lausmuuttujien perusteella se laskee dynaamiset toimintarajat. Toimintarajat lasketaan kuhunkin kohteeseen ja tilanteeseen sopivalla algoritmilla, jotka on tallennettu ensimmäiselle säätölohkolle. Erityyppisille lämmönsäätelylaitteille määritetään erilaiset toimintarajat. Esimerkiksi sähkötoimiselle lattialämmitykselle tulee erilaiset toimintarajat kuin nestekiertoiselle patterilämmitykselle, vaikka skaalaus-muuttujat olisivat samoja, koska näiden käyttäytyminen lämmitysprosessissa on erilaista. Lämpötila-anturilla 301 mitataan kohteen osan lämpötila. Toisessa säätölohkossa 302 on ainakin muisti, prosessori, välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa. Toinen säätölohko laskee kohteesta mitatun lämpötilan ja kohteeseen halutun lämpötila-arvon perusteella ohjaussignaalin arvon. Esimerkiksi asetetun lämpötilan ja kohteen osan mitatun lämpötilan erotuksen muuttuessa myös ohjaussignaali muuttuu. Ohjaussignaalin laskemisessa käytetään muistiin tallennettuja algoritmeja.

Kolmannessa säätölohkossa 305 on ainakin muisti, prosessori ja välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa. Tämä lukee ensimmäiseltä säätölohkolta 304 dynaamiset toimintarajat ja toiselta säätölohkolta sen tuottaman ohjaussignaalin. Kolmannessa säätölohkossa toisen säätölohkon muodostama ohjaussignaali skaalataan dynaamisilla toimintarajoilla, jolloin saadaan lähtösignaali. Tämä tehdään muodostamalla skaalauskäyrä koordinaatistoon, jossa toisella akselilla on ohjaussignaali ja toisella akselilla lähtösignaali. Skaalauskäyrän avulla saadaan lähtösignaali, joka on skaalattu dynaamisilla toimintarajoilla. Lähtösignaalilla ohjataan toimilaitetta 303, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta 306. Säätölohkot voidaan jakaa myös muilla tavoin. Edellä säätölohkot olivat kukin oma laitteensa, mutta esimerkiksi toinen säätölohko, kolmas säätölohko ja toimilaite voivat olla samassa laitteessa, tai esimerkiksi toinen säätölohko ja lämpötila-anturi ovat samassa laitteessa, tai kolmas säätölohko tai osa siitä on toteutettu samassa laitteessa kuin ensimmäinen säätölohko. Voi olla myös ratkaisu, jossa kaikki säätölohkot ovat samassa laitteessa, joka ohjaa kohteen eri osien toimilaitteita.

Kuvassa 4 esitetään esimerkki dynaamisten toimintarajojen määräämisestä ulko-lämpötilan funktiona eli skaalausmuuttujana on ulkolämpötila. X-akselilla on ulko-lämpötila ja Y-akselilla on toimintaraja. Kuvassa 4(a) on käyrä, jolla määrätään dynaamisen toimintarajan maksimiarvo, ja kuvassa 4(b) on käyrä, jolla määrätään dynaamisen toimintarajan minimiarvo. Käyrät kuvaavat jotain algoritmia, joka suo ritetaan ensimmäisessä säätölohkossa. Käyrien muotoon vaikuttavat skaalausva-kiot.

Kun ulkolämpötila on 20 °C, saadaan kuvan 4(a) käyrästä dynaamisen toimintarajan maksimiarvoksi Dmax 30 % ja kuvan 4(b) käyrästä dynaamisen toimintarajan minimiarvoksi Dmin 10 %. Samoin ulkolämpötilan ollessa 0 °C, saadaan dynaamisen toimintarajan maksimiarvoksi Dmax 60 % ja dynaamisen toimintarajan minimiarvoksi Dmin 25 %. Ulkolämpötilan ollessa -20 °C, saadaan dynaamisen toimintarajan maksimiarvoksi Dmax 90 % ja dynaamisen toimintarajan minimiarvoksi Dmin 40 %. Toimintarajojen arvot voidaan antaa prosentteina tai suhdelukuina, mutta voidaan käyttää myös muita arvoja. Nämä toimintarajat muodostavat toimi-alueikkunan.

On huomattavaa, että edellä kuvatussa esimerkissä on yksinkertaisuuden vuoksi vain yksi skaalausmuuttuja. Useamman skaalausmuuttujan tapauksessa käytetään erilaisia määrityskäyriä. Voidaan tehdä myös niin, että kullekin skaalaus-muuttujalle määrätään omat dynaamiset toimintarajansa ja ne yhdistetään jollain matemaattisella menetelmällä esimerkiksi käyttäen painokertoimia eli merkittävimmät skaalausmuuttujat saavat suuremman painokertoimen.

Kuvassa 5 on esitetty esimerkki keksinnön mukaisen lähtösignaalin skaalaami-sesta ohjaussignaalista. Tässä on saatu dynaamisten toimintarajojen maksimi ja minimi kuten kuvassa 4 on tehty. Nyt esimerkiksi ulkolämpötila on -15 °C ja lisäksi kohteessa oleskelee kuusi henkilöä. Näillä skaalausmuuttujilla on saatu dynaamisen toimintarajan maksimiarvoksi Dmax 80 % ja dynaamisen toimintarajan minimiarvoksi Dmin 25 %. Koordinaatistoon, jossa X-akselilla on ohjaussignaali ja Y-akselilla lähtösignaali, sijoitetaan mainitut dynaamisen toimintarajanmaksimi- ja minimiarvot. Minimiarvo sijoitetaan ohjaussignaalin minimiin eli pisteeseen (0 %, Dmin) ja maksimiarvo (100 %, Dmax). Tässä tapauksessa saadaan pisteet (0 %, 25 %) ja (100 %, 80 %). Näiden pisteiden kautta piirretään suora.

Kun saadaan ohjaussignaali, joka on muodostettu kohteen, jonka lämpöä säädetään, asetuslämpötilan ja mitatun lämpötilan perusteella, se skaalataan kuvan 5 käyrän avulla. Esimerkiksi huonesäätimellä on annettu asetuslämpötilaksi 25 °C ja mitattu lämpötila on 20 °C astetta, jolloin ohjaussignaaliksi lasketaan 100 %. Skaalattaessa 100 % ohjaussignaalista tulee 80 % lähtösignaali. Toisessa esimerkissä huonesäätimellä on annettu asetuslämpötilaksi 20 °C ja mitattu lämpötila on 18 °C astetta, jolloin ohjaussignaaliksi lasketaan 50 %. Skaalatessa tämä ohjaussignaali siitä saadaan lähtösignaali, jonka arvo on 55 %. Kolmannessa esi merkissä huonesäätimellä on annettu asetuslämpötilaksi 19 °C ja mitattu lämpötila on 23 °C astetta, jolloin ohjaussignaaliksi lasketaan 0 %. Skaalatessa tämä ohjaussignaali siitä saadaan lähtösignaali, jonka arvo on 25 %. Varsinkin tästä esimerkistä helposti nähdään, että tällä keksinnöllä ohjaussignaalin vaikutus lämmityksen säätelyyn suhteutetaan aina todelliseen tarpeeseen eri olosuhteiden mukaan, jolloin itse ohjaussignaalilla voidaan tuottaa helposti tarkka, nopea ja vakaa säätö. Varsinkin tästä esimerkistä helposti nähdään kuinka keksinnön avulla pystytään välttämään talvella epämiellyttävä tilanne, jossa lämmityslogiikka lopettaa lämmityksen, jolloin huone ja rakenteet saattavat ehtiä jäähtyä ennen kuin lämmitys ehtii jälleen mukaan.

On huomattava, että ohjaus-ja lähtösignaalit voivat olla myös muitakin arvoja kuin prosenttilukuja. Ne voivat olla esimerkiksi jännitteitä tai pulsseja tai vastaavia.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei rajoitu juuri kuvattuihin ratkaisuihin, vaan keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla patenttivaatimusten asettamissa rajoissa.

Claims (17)

1. Menetelmä lämmönsäätelylaitteen toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä kohteessa, joka on rakennus tai huone, jolla toimilaitteella on tehoalue, jolla on maksimi ja minimi, tunnettu siitä, että menetelmässä on seuraavat vaiheet: - lasketaan dynaamiset toimintarajat (103), ainakin maksimi ja minimi, skaalausvakioiden ja skaalausmuuttujien perusteella, joiden rajojen avulla skaalattu tehoalue on pienempi kuin lämmönsäätelylaitteen rajoittamaton tehoalue, ja skaalausmuuttujia on ainakin joku seuraavista: kohteen, jossa lämmönsäätelylaite (306) on, ulkolämpötila; tuuliolosuhteet, kuten nopeus ja suunta; pilvisyys; ulkokosteus; sisäkosteus; ilmanpaine; kohteen asukkaiden läsnäolo; kellonaika ja mainittujen skaalausmuuttujien ennusteet, - määritetään ohjaussignaali, - lasketaan lähtösignaali toimilaitteen ohjaamiseksi skaalaamalla ohjaussignaali dynaamisilla toimintarajoilla (106) ja - ohjataan lämmönsäätelylaitteen toimilaitetta lähtösignaalilla (107).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että skaalaus-vakioihin vaikuttavia tekijöitä ovat kohteen rakennevakiot, joita ovat esimerkiksi ikkunoiden koko, jäähtyvien pintojen pinta-ala, rakenteiden materiaali, rakenteiden lämmönvuotovakiot, lämmönjohtoviiveet ja lämmitystehon mitoitus.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että skaalaus-muuttujia on ulkoisten olosuhteiden muuttamat rakennevakiot.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteessa on useampia osia ja kullakin osalla on oma ohjaussignaalinsa ja ohjaussignaali lasketaan kohteen osan asetuslämpötilan ja mitatun lämpötilan perusteella.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjaussignaalin skaalaamisessa (106) käytetään ainakin dynaamisen toimintarajan maksimin ja dynaamisen toimintarajan minimin muodostamaa käyrää, jossa ohjaussignaalin maksimiarvolla lähtösignaali saa dynaamisen toimintarajan maksimin ja ohjaussignaalin minimiarvolla lähtösignaali saa dynaamisen toimintarajan minimin ja ohjaussignaalin maksimi- ja minimiarvojen välisillä arvoilla lähtösignaali saa käyrältä sitä vastaavan arvon.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käyrä on lineaarinen.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käyrä on epälineaarinen, jolloin dynaamisten toimintarajojen laskemisessa (103) lasketaan myös dynaamisen maksimin ja dynaamisen minimin välisiä pisteitä ja käyrä tehdään näiden pisteiden avulla.

8. Laitteisto lämmönsäätelylaitteen (306) toimilaitteen (303) ohjaamiseksi lämpötilan säätelyssä kohteessa, joka on rakennus tai huone, jolla toimilaitteella on tehoalue, jolla on maksimi ja minimi, tunnettu siitä, että toimilaitteen ohjaamisessa on kolme säätölohkoa: ensimmäinen säätölohko (304), toinen säätölohko (302) ja kolmas säätölohko (305), ja - ensimmäisessä säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori ja välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa, ja - muistissa on skaalausvakiot, ja muistiin on järjestetty luettavaksi skaalausmuuttujat, ja skaalausmuuttujia on ainakin joku seuraavista: kohteen, jossa lämmönsäätelylaite (306) on, ulkolämpötila; tuuliolosuhteet, kuten nopeus ja suunta; pilvisyys; ulkokosteus; sisäkosteus; ilmanpaine; kohteen asukkaiden läsnäolo; kellonaika ja mainittujen skaalaus-muuttujien ennusteet, - prosessori on järjestetty laskemaan dynaamiset toimintarajat, ainakin maksimin ja minimin, skaalausmuuttujien ja skaalausvakioiden perusteella, joiden rajojen avulla skaalattu tehoalue on pienempi kuin lämmönsäätelylaitteen rajoittamaton tehoalue, - toisessa säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori ja välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa, ja toinen säätölohko on järjestetty tuottamaan ohjaussignaalin sille annetun asetusarvon ja mitatun lämpötilan perusteella ja - kolmannessa säätölohkossa on ainakin muisti, prosessori ja välineet vastaanottaa ja lähettää tietoa, ja kolmas säätölohko on järjestetty lukemaan ensimmäiseltä säätölohkolta dynaamiset toimintarajat ja toiselta säätö-lohkolta ohjaussignaalin ja laskemaan lähtösignaalin toimilaitteen ohjaamiseksi skaalaamalla ohjaussignaalin dynaamisilla toimintarajoilla ja ohjaamaan lähtösignaalin mukaan toimilaitetta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ensimmäisen säätölohkon (304) muistissa olevat skaalausvakiot on tallennettu laitteiston käyttöönotossa ja skaalausvakioihin vaikuttavia tekijöitä ovat kohteen rakennevakiot, joita ovat esimerkiksi ikkunoiden koko, jäähtyvien pintojen pinta-ala, rakenteiden materiaali, rakenteiden lämmönjohtoviiveet ja lämmitystehon mitoitus.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ensimmäisen säätölohkon (304) skaalausvakiot on järjestetty luettavaksi tai syötettäväksi säätölohkon ulkopuolelta.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 8-10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kohteessa on useampia osia ja kullakin osalla on oma toinen säätölohkonsa (302) ja jolla toisella säätölohkolla on keinot järjestää lämpötilan asetusarvo kirjoitettavaksi tai luettavaksi säätölohkon ulkopuolelta, ja toinen säätölohko on järjestetty lukemaan kohteen osasta lämpötilan tai lämpötiloja.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 8-11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että läh-tösignaali on järjestetty ohjaamaan toimilaitetta (303), joka ohjaa lämmönsäätely-laitetta (306), ja lämmönsäätelylaitteen ohjattavia suureita on ainakin yksi seuraa-vista: lämmitysteho, pulssien pituus, pulssien välinen aika, venttiilin asento, nesteen virtausnopeus tai edellä mainittujen yhdistelmä.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 8-12 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ensimmäinen säätölohko (304) on yhteinen koko kohteelle tai ainakin osalle kohteen osista.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 8-13 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kolmas säätölohko (305) on yhteinen ainakin osalle kohteen osista.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 8-14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin osa säätölohkoista tai säätölohkojen toimista on toteutettavissa samassa laitteessa.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 8-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin osa lohkojen toiminnoista on toteutettavissa algoritmeina, jotka on talletettu muistiin ja suoritetaan prosessorissa.

17. Tietokoneohjelmatuote lämmönsäätelylaitteen toimilaitteen ohjaamiseksi lämpötilan säädössä kohteessa, joka on rakennus tai huone, jolla toimilaitteella on tehoalue, jolla on maksimi ja minimi, tunnettu siitä, että tietokoneohjelmatuotteen suorittaminen saa aikaan seuraavat toiminnot: - skaalausmuuttujien lukemisen ulkopuolisesta lähteestä ja skaalausvaki-oiden lukemisen muistista, ja dynaamisten toimintarajojen, ainakin maksimin ja minimin, laskeminen skaalausvakioiden ja skaalausmuuttujien perusteella, joiden rajojen avulla skaalattu tehoalue on pienempi kuin lämmönsäätelylaitteen rajoittamaton tehoalue, ja skaalausmuuttujia on ainakin joku seuraavista: kohteen, jossa lämmönsäätelylaite (306) on, ul-kolämpötila; tuuliolosuhteet, kuten nopeus ja suunta; pilvisyys; ulkokos-teus; sisäkosteus; ilmanpaine; kohteen asukkaiden läsnäolo; kellonaika ja mainittujen skaalausmuuttujien ennusteet, - ohjaussignaalin arvon lukeminen, ja - lähtösignaalin laskeminen skaalaamalla ohjaussignaali dynaamisilla toimintarajoilla ja toimilaitteen, joka ohjaa lämmönsäätelylaitetta, ohjaaminen lähtösignaalin perusteella. Patentkrav