JP2015536016A - 統合された、照明、遮光及びサーモスタットの制御のための統合コントローラ - Google Patents

Abstract

照明１３、シェード１２及びサーモスタット１１を制御するためのコントローラ１００が開示されている。前記コントローラは、少なくとも１つのルール２、５を設定するための指標を供給するための少なくとも１つの快適レギュレータ１と、サーモスタット、照明及びシェードのうちの少なくとも１つを制御するための少なくとも１つのコントローラインタフェース１０と、暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）１７、占有１６、フォトセンサ１５からの照明及び遮光のうちの少なくとも１つに関連する知覚情報を受け取るための少なくとも１つのセンサインタフェース１８とを有し、前記少なくともコントローラインタフェースは、前記知覚情報の受け取りに応じて、及び前記少なくとも１つのルールに基づいて、前記サーモスタット、前記照明及び前記シェードを最適な位置に制御する。

Description

本発明は、広くは、照明、遮光及び温度の制御に関し、より詳しくは、照明、遮光及び温度を制御するフレキシブルなアーキテクチャを持つコントローラに関する。

建築素子は、相互に関係し合っており、例えば、電灯及び窓シェードは、快適な照明状態をもたらすために並行して用いられるが、その間、それらは、両方とも、暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムにおける負荷に影響を及ぼす熱を発生させる又は放射することが認識されている。最もエネルギ効率の良いようにして快適な視覚及び熱環境を達成するためには、統合された全体論的アプローチを用いて建築素子間の相互関係を考慮することが重要である。

現在、視覚的な快適さ及び熱的な快適さは、実際には、別々に制御されている。更に、電灯及びシェードさえ、別々に制御されている。電灯は、壁スイッチによって制御され、又は最も良いケースのシナリオにおいては、日光及び／又は占有状態に応じて自動的に減光される、若しくはオフにされる。ベネチアンブラインド及びローラーシェードなどの遮光システムは、ほとんど、占有者により、例えば、ひもを引くことによって、制御される。最新の電動遮光システムさえ、依然として、壁パネルを通して、ほとんど手動で制御される。熱的な快適さは、壁に取り付けられたサーモスタットにおいて占有者により温度セットポイントとして指定され、幾つかのサーモスタットは、夜間セットバックなどの監視制御のための集中ビルオートメーションシステム（ＢＡＳ）に接続することが可能である。

より良いエネルギ管理のために統合された照明及びＨＶＡＣ制御を促進する試みが行われてきたが、それらは、ＢＡＳ又はエネルギ管理制御システム（ＥＭＣＳ）のビル全体レベルの統合に焦点を合わせている。このレベルの統合は、高レベル監視制御及び自動エネルギ効率測定を実施するための設備管理者のための複数のシステムへの一元化されたアクセスしか供給しない。それ故、ビルレベルの監視制御の上に、低レベルの、例えば、ゾーンレベルの統合が、各ゾーンにおける様々なタイプの使用、向き、位置などを考慮に入れて、占有者にとって最適な視覚的及び熱的な快適さを実際に達成するためには、必要である。

エネルギ効率のために視覚的及び熱的な快適さの統合制御を考慮する試みは少ししかなされていない。例えば、A. Guillemin及びN. Morelによる、"An Innovative Lighting Controller Integrated in a Self-adaptive Building Control System," Energy and Buildings, vol. 33 (5), 2001, pp. 477-487（以下、「GUILEMIN」と呼ぶ）、並びにZ. Kristl、M. Kosir、M. Trobec-Lah及びA. Krainerによる, "Fuzzy Control System for Thermal and Visual Comfort in Building," Renewable Energy, vol. 33 (4), 2008, pp. 694-702（以下、「KRISTL」と呼ぶ）は、主に、知的アルゴリズムの開発及び実施に焦点を合わせており、これらのシステムは、非常にカスタマイズされた研究室の設定において統合されている。ほとんどのコントローラは、ビルの照明及び熱的素子の間の相互依存性に対処しながら、3つのシステムのサブセット、例えば、KRISTLにおいてはシェード及びヒーター、J.V. Millerによる、"Energy Saving Integrated Lighting and HVAC System," 米国特許出願公開第2009/0032604号（以下、「Miller」と呼ぶ)においては照明及びＨＶＡＣを考慮する。更に、前記コントローラは、非常に特殊なタイプのシステムのためにしか動作しないかもしれず、又はMillerにおけるＨＶＡＣエアダクトダンパ及び上方熱放射ランプ取り付け具などのより低レベルのシステム構成要素に侵入する必要がある。更に、統合コントローラは、エネルギを保つよう照明状態を調節し得るが、これは、例えば、グレアにより、空間を占める人間の視覚的な快適さを犠牲にし得る。

それ故、従来技術の欠陥を認識して、実際的な統合されたようにして、照明、シェード及び温度セットポイントのゾーンをベースにした自動制御を実施することができるコントローラが欠けていることを解決することは有利であるだろう。

本願明細書に開示されている或る実施例は、照明、シェード及びサーモスタットのための制御を供給するコントローラを含む。前記コントローラは、少なくとも１つのルールの設定のための指標を供給するための少なくとも１つの快適レギュレータと、サーモスタット、照明及びシェードのうちの少なくとも１つを制御するための少なくともコントローラインタフェースと、 暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）、照明、並びに占有のうちの少なくとも１つに関連する知覚情報を受け取るための少なくともセンサインタフェースとを有し、前記少なくともコントローラインタフェースは、前記知覚情報の受け取りに応じて、及び前記少なくとも１つのルールに基づいて、前記サーモスタット、前記照明及び前記シェードを最適な位置に制御する。

本願明細書に開示されている或る実施例は、照明、シェード及びサーモスタットの制御のための方法も含む。前記方法は、照明、シェード及びサーモスタットの前記制御のためのコントローラの快適レギュレータからの少なくとも１つのルールを設定するための指標を供給するステップと、暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）、占有、照明並びに遮光のうちの少なくとも１つに関連する知覚情報を受け取るステップと、前記知覚情報及び前記少なくとも１つのルールに関連して、前記照明、シェード及びサーモスタットを制御するために制御信号を生成するステップとを有する。

本願明細書に開示されている或る実施例は、照明システム、遮光システム及びサーモスタットの前記制御のためのコントローラも含む。前記コントローラは、少なくとも、水平照度セットポイント、垂直照度セットポイント及びサーモスタットセットポイントの設定を決定するためのセットポイント決定エンジンであって、前記決定が、ルールをベースにした設定プロセスに基づいて実施されるセットポイント決定エンジンと、前記照明及び前記遮光のための設定のセット決定するための照明負荷バランスエンジンであって、前記設定のセットが、少なくとも、受け取られる前記セットポイントを満たし、前記セットポイント決定エンジンが、少なくとも、前記水平照度セットポイント及び前記垂直照度セットポイントを満たし、前記設定のセットが、前記照明システムによる電力消費量及びグレアを最小化するために決定される照明負荷バランスエンジンと、部分的に、前記サーモスタットセットポイント、及び前記照明負荷バランスエンジンによって決定される前記設定のセットに基づいて、制御ゾーン内の前記サーモスタット、前記照明システムドライバ及び前記遮光システムドライバを制御するためのドライバコネクタとを有する。

本発明とみなされる対象は、明細書の末尾にある請求項において明確に記載され、詳細に指し示されている。本発明の前述及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共に解釈される以下の詳細な説明から明らかであるだろう。

本発明の実施例による統合コントローラの概略的な図である。 統合コントローラの照明負荷バランスの概略的なブロック図である。 電灯出力レベル及び電力の間の関係のグラフである。 複雑な採光用開口システムの太陽熱利得モデルのグラフである。 電灯照明制御機構だけを用いる統合コントローラの概略的なブロック図である。 電灯照明制御機構及び遮光制御機構を用いる統合コントローラの概略的なブロック図である。 本発明の実施例によるサーモスタット統合コントローラの概略的なブロック図である。 別の実施例による垂直フォトセンサを用いる統合コントローラの概略的なブロック図である。 図８の統合コントローラにおいて利用されるセットポイント決定エンジンの概略的なブロック図である。

開示されている実施例は、本願明細書における革新的な技術の多くな有利な使用の例でしかないことに注意することが重要である。一般に、本願の明細書においてなされている記載は、必ずしも、様々な請求項記載の発明のいずれかを限定するものではない。更に、幾つかの記載は、幾つかの本発明の特徴には当てはまるかもしれないが、他のものには当てはまらないかもしれない。一般に、特に明記しない限り、一般性を失わずに、単一の要素は、複数の要素であってもよく、逆の場合も同じである。図面においては、幾つかの図を通して、同様の符号は同様のパーツを指す。

図１は、本発明の実施例による統合コントローラ１００の例示的且つ非限定的なブロック図を示している。統合コントローラ１００は、構成要素（１）から（１０）、及びインフラ（１８）を検出するセンサ（１５）から（１７）、並びに最適な制御の決定をなすためのコントローラ１００に対する入力である外部情報及び接続（１９）から（２１）などの監視信号で構成される。コントローラ１００は、ドライバコネクタ（１０）を通して、サーモスタット（１１）、遮光システムドライバ（１２）及び照明システムドライバ（１３）を含む、ゾーン（１４）の接続されたシステムハードウェアを作動させる。各構成要素の詳細な実施例及び変形例については、下でより詳細に述べる。

快適レギュレータ（１）は、ユーザの好み及び快適さの重要度、即ち、好み／快適さとエネルギとの間のトレードオフを決定するために、例えば、需要応答（ＤＲ）信号、ユーザ・オーバーライドなどの監視信号（１９）及び占有センサ（１６）からの情報を受け取る。例えば、通常の動作の下では、快適レギュレータは、快適さが最も高い優先度を持つと決定し得る。しかしながら、占有センサによって報告されるような占有者の不在時には、快適レギュレータは、快適さを、より多くのエネルギの節約をもたらす試みよりずっと重要ではないパラメータとみなし得る。ＤＲイベントを示す監視信号の受信時には、快適レギュレータは、或る量の負荷を制限するために、快適さの重要さを少し低下させる。実施例として、快適レギュレータは、単に、快適さのレベルの相対的な重要度を表す１０段階「重要度評価」を持つユーザの好みのセットであり得る。各入力、即ち、占有状態、ＤＲ信号、ユーザ・オーバーライドなどは、１０段階重要度評価における異なる量のインクリメント又はデクリメントに対応する。次いで、前記評価における、結果として生じる快適さの重要度の値は、ユーザ指定の好みと共に、熱的快適ルール（２）及び視覚的快適ルール（５）に供給される。

熱的快適ルール（２）は、基本的に、快適さの重要度、即ち、（１）の出力、及びリアルタイムセンサ測定値（１７）によって決定される、あり得る温度セットポイントの範囲を算出するためのモジュールである。熱的快適ルール（２）は、様々な方法で実施され得る。１つの実施例は、ＩＦ−ＴＨＥＮルールのセットである。例えば、ルールは、「快適レギュレータ指標が９より大きい場合には、気温は21乃至24℃の範囲内である。」というものであり得る。熱的快適ルール（２）は、高度な熱的快適モデル、例えば、Fangerの予測平均温冷感申告（ＰＭＶ）モデルも組み込み得る。リアルタイムＨＶＡＣセンサ測定値、例えば、平均放射温度及び相対湿度を用いて、85%の満足度に対応するPMV≦±0.7をもたらす気温セットポイントの範囲が算出される。この例における±0.7という数値範囲は、快適レギュレータ（１）からの快適さの重要度の値に従って変化し得る。

ＨＶＡＣコネクタ（３）は、ＨＶＡＣシステムの動作を担当するＢＡＳ又はエネルギ管理制御システム（ＥＭＣＳ）（２１）に接続される。ＨＶＡＣコネクタの主な機能は、ＨＶＡＣシステムの動作モード情報（冷房／暖房）を取得することである。或る実施例においては、ＢＡＳ又はＥＭＣＳと通信するために、ＨＶＡＣコネクタは、BACnet、LonWorksなどであるが、それらに限定されないリンクされるＢＡＳ又はＥＭＣＳによって用いられる標準的な通信プロトコルとインタフェースする。必要に応じて、ＨＶＡＣコネクタとＢＡＳとの間で他の情報も交換される。

サーモスタットセットポイントモジュール（４）は、最大エネルギ効率をもたらす熱的快適ルール２）によって生成されるあり得る温度セットポイントの範囲内の最も良いセットポイントを選択する。決定は、ＨＶＡＣコネクタ（３）を通して取得されるＨＶＡＣ動作情報に基づく。例えば、熱的快適ルール（２）が21乃至24℃の温度範囲を生成し、ＨＶＡＣコネクタ（３）から、ＨＶＡＣシステムが冷房モードで動作していることが学習される場合には、サーモスタットセットポイントモジュールによって、最低限の冷却要求のための24℃が選択されるだろう。その情報は、次いで、ドライバコネクタ（１０）を通してサーモスタット（１１）に送られる。サーモスタットセットポイントモジュール（４）を実施する１つの例は、
「ＨＶＡＣが冷房モードである場合には、上限温度をセットポイントとして選択する。
ＨＶＡＣが暖房モードである場合には、下限温度をセットポイントとして選択する。」
などのＩＦ−ＴＨＥＮルールのセットである。
視覚的快適ルール（５）は、基本的に、快適レギュレータ（１）によって指定されるような様々なレベルの快適さの重要度及びユーザの好みに対して適切な、電灯及び日光の組み合わせである総光量を決定するためのモジュールである。視覚的快適ルール（５）を実施するための１つの例は、ＩＦ−ＴＨＥＮルールセットで唯一のタスク照度を考慮するものである。例えば、好ましい光量が500luxである場合、各々、通常の動作、及びＤＲ信号に応じるＤＲイベントのために、ルールセットの以下の例外が用いられ得る。
「快適レギュレータ指標が９より大きい場合には、照明セットポイントを500luxに設定する。」
「快適レギュレータ指標が８と９との間である場合には、照明セットポイントを450luxに設定する。」
照明セットポイント（６）は、単に、視覚的快適ルール（５）によって視覚的快適ルールセットから決定されるような目標総合照明セットポイントを表す。下で図８及び９を参照してより詳細に記載する別の実施例においては、照明セットポイントは、快適グレアレベルも表し得る。

照明負荷バランスモジュール（７）には、最小限の全体エネルギ消費量で照明セットポイント（８）において指定されるセットポイントを満たす、例えば、窓シェードの高さ、及び窓周りの装飾のベネチアンブラインドのスラットの角度を決定する、最適な電光量及び日光遮光を決定する知能が埋め込まれる。或る実施例においては、照明負荷バランスモジュール（７）は、電灯照明及び遮光セットポイント（８）を生成するために、ＨＶＡＣコネクタ（３）からのＨＶＡＣ動作モード、及びグローバル／外部情報（２０）、例えば、日付、太陽の位置及び放射照度などを取り込む。

あり得る照明負荷バランス実施の１つの例は、式（１）において以下の最適化問題を解決するものである。ここで、E_Lは、電灯照明負荷であり、E_Qは、電灯及び採光用開口太陽熱利得による付加的な冷却負荷であり、mは、重み付け係数であり、eは、結果として生じる光量と照明セットポイント（６）におけるセットポイントとの間の誤差であり、kは、関連時間ステップを示している。
e_L≦e(k)≦e_Hを条件として、
E_L(k)+mE_Q(k)を最小化する （式１）

図２は、統合コントローラ１００の照明負荷バランスモジュール（７）の例示的且つ非限定的な概略的なブロック図である。図２は、例えば、６個の建築素子、即ち、ブロック（ａ）から（ｆ）から成り得る、照明負荷バランスモジュール（７）の詳細な実現例を図示している。照明電力消費量ブロック（ａ）は、例示的且つ非限定的な図３に示されているように電灯出力レベルに線形に比例する照明電力による電力消費量を推定する。電灯照明熱利得ブロック（ｂ）は、電球及び照明器具による照明熱利得を推定する。電灯照明熱利得は、照明出力に比例し、これは、図３に示されているように、光出力レベルに対して線形な関係を持つ。

両ブロック（ａ）及び（ｂ）は、照明システムドライバ（１３）がリアルタイム電力測定値フィードバックを供給する場合に、より正確に推定され得る。太陽熱利得ブロック（ｃ）は、空間内の入り込んだ太陽熱利得を推定する。これは、様々な方法で実現され得る。例えば、或る実施例においては、グローバル／外部情報チャネル（２０）からの既知の太陽放射照度により太陽熱利得を予測するために、採光用開口システムの伝熱メカニズムを記述する数学的なモデルが作られる。太陽放射照度の読取値は、測定され得る、又は近くの気象観測所から取得され得る。

図４は、インテリアベネチアンブラインドを備える或るこのようなモデルから算出される、様々なスラット角度に対する、例示的且つ非限定的な太陽熱流束（単位採光用開口面積からの熱利得）を示している。他の例においては、太陽熱利得は、採光用開口システムの内側に配置される全天日射計を用いて大まかに測定され得る。図４に図示されているように、曲線４０１、４０２、４０３及び４０４は、各々、-10°、0°、20°及び40°に設定された様々なプロファイル角度に対する測定流速を表している。スラット角度は、本質的に水平な位置と、本質的に垂直な位置との間で動かし得るスラットの角度である。プロファイル角度は、窓表面に対して垂直な平面上に投射される日光入射角であり、これは、採光用開口システムに対する直射日光の高度を決定する。図２に戻ると、冷却負荷ブロック（ｄ）が、照明及び太陽熱利得を冷却負荷に変換する。熱利得の一部、対流部分は、直ちに、冷却負荷として現れるが、他の部分、放射部分は、ビルの熱質量によって吸収され、後で、冷却負荷として再放射されるだろう。このメカニズムを記述する1つの方法は、一次差分方程式（式２）であり、ここで、kは、時間ステップを表し、Qは、冷却負荷であり、qは、熱利得であり、係数(w₁, v₀, v₁) は、エンベロープ構成、床質量、空気循環、照明器具のタイプなどのビルの特性に従って決定される。
Q(k)=w₁Q(k-1)+v₀q(k)+v₁q(k-1) （式２）
ＨＶＡＣエネルギ消費量ブロック（ｅ）は、冷却負荷ブロック（ｄ）によって決定されるような冷却負荷を取り除くために必要とされるエネルギの特徴を記述し、これは、ＨＶＡＣシステムの効率及び総負荷に依存する。冷却負荷ブロック（ｄ）による実現の一例は、性能係数（ＣＯＰ）、例えば、冷却負荷の、前記冷却負荷を取り除くために必要とされるエネルギに対する比率の定数近似である。一般に、ＣＯＰは、一定ではなく、ＨＶＡＣの動作状況で変化する。それ故、このブロックを実現する高度な方法は、ＨＶＡＣシステムとの接続を通して、ＨＶＡＣ効率曲線とリアルタイム動作状況を組み合わせるものである。

決定／最適化エンジンブロック（ｆ）は、ブロック（ａ）及び（ｅ）からのエネルギ消費量の推定及び予測に基づいて電光量及びシェードの設定における制御の決定をなす。これは、（式１）に示されている最適化／制御ストラテジが採用され得る、又は任意の他の最適化／制御ストラテジが利用され得るものである。

図１に戻ると、電灯照明及び遮光セットポイント（８）は、電灯照明システム及び遮光システムからのセットポイント決定から成る。２つのセットポイントは、閉ループコントローラ（９）に対するリファレンス入力である。

閉ループコントローラ（９）は、電灯照明及び遮光セットポイント（８）、ドライバコネクタ（１０）、遮光システムドライバ（１２）、照明システムドライバ（１３）及びフォトセンサ（１５）から成る内側システムレベル制御ループの一部である。この内側ループは、光出力レベル、シェードの高さ及びベネチアンブラインドのスラット角度を含む、電灯、及び１つ以上の窓に取り付けられる窓周りの装飾が、全ての対応するリファレンスセットポイント（８）を満たすよう適切に作動されることを確実にする。コントローラ（９）は、比例積分微分（ＰＩＤ）制御などの任意の従来の自動制御技術を用いて実施され得る。

ドライバコネクタ（１０）は、コントローラ１００が、サーモスタット（１１）、遮光システムドライバ（１２）及び照明システムドライバ（１３）を含む制御ゾーン内の物理的システムのドライバとインタフェースするために内蔵ハードウェアを含む。ドライバコネクタ（１０）は、サーモスタットセットポイントモジュール（４）及び閉ループコントローラ（９）からの作動コマンドを、ハードウェアドライバの各々のための認識可能な信号に変換する。例えば、制御ゾーン（１４）に対する信号及び制御ゾーン（１４）からの信号は、0乃至10Vであってもよく、又は減光可能なバラストのためのデジタルアドレス指定可能照明インタフェース（ＤＡＬＩ）信号であってもよい。更に、接続は、ZigBeeなどの標準化された通信プロトコルを用いる無線のものであってもよい。

制御ゾーン（１４）は、コントローラ１００に接続され、コントローラ１００によって制御される１つ以上のシステムを表している。或る実施例においては、制御ゾーン（１４）は、サーモスタット（１１）、遮光システムドライバ（１２）及び照明システムドライバ（１３）を含む。制御ゾーン（１４）のこれらのシステムは、例えば、標準化されたプロトコルを用いることにより、コントローラのドライバコネクタ（１０）との接続を確立することが可能な様々な製造業者によって提供され得る。

センサ（１５）、（１６）及び（１７）は、コントローラ１００の検出インフラ（１８）を形成する。フォトセンサ（１５）は、タスク照度を測定するための、天井に取り付けられるフォトセンサ、及び／又はグレア検出目的のための垂直照度センサを含み得る。占有センサ（１６）は、空間内の運動を検出する。下で詳細に記述する或る実施例においては、フォトセンサ（１５）は、表面に対して水平に及び垂直に取り付けられる２つのフォトセンサを含み得る。ＨＶＡＣセンサ（１７）は、コントローラ内の各構成要素がどのように実施されるかに応じて、気温センサ、気温及び放射温度の複合作用を測定する地球温度センサ、及び／又は湿度センサであり得る。センサ（１５）、（１６）及び（１７）は、図１において矢印によって示されている構成要素によってしか用いられないものには限定されず、必要に応じで、コントローラ内の全ての構成要素で共用されてもよい。センサとコントローラ構成要素との間のこの対応は、単に一実現例にすぎない。

監視信号ブロック（１９）は、コントローラ１００をオーバーライドするためのチャネルである。信号は、ユーザの好み、ユーザ・オーバーライド、ビル管理者の命令、ＤＲ信号などの形態であり得る。監視信号は、２つのタイプ、即ち、絶対的な設定とイベント信号とに分類され得る。絶対的な設定は、占有者又はビル管理者によって指定される所望の照明及び熱的条件のセットであってもよく、これは、最適なセットポイントを決定するプロセスにおいて、快適レギュレータ（１）、熱的快適ルール（２）及び視覚的快適ルール（５）によって考慮に入れられるだろう。イベント信号は、基本的に、ユーザの好み及び快適さの相対的な重要度を変更するよう快適レギュレータ（１）に命令するＤＲ信号又は一時的なオーバーライド信号であり得る。

グローバル／外部情報（２０）は、コントローラ１００に付加的な情報要素を供給する。この情報は、厳密な照明負荷バランスモジュール（７）の実施態様に応じて、日付、太陽の位置、太陽放射照度、屋外温度などであり得る。例えば、太陽の位置及び放射照度は、太陽熱利得及び対応する冷却負荷を推定するために用いられることができ、屋外温度は、ＨＶＡＣの動作モード（冷房／暖房）を推定するために用いられてもよい。ＨＶＡＣの動作モードは、ＨＶＡＣコネクタ（３）を通してＨＶＡＣシステムから直接入手可能でもあり得る。

或る実施例においては、ＨＶＡＣシステム（ＢＡＳ）（２１）は、ＨＶＡＣシステムの動作を担当するエンティティである。コントローラ１００は、ＨＶＡＣコネクタ（３）を通して（２１）からＨＶＡＣの動作モード（冷房／暖房）の情報を取得する。屋外温度が外部情報要素（２０）の１つとして入手可能である場合には、動作モードは、屋外温度から合理的に導き出され得るので、ＢＡＳ（２１）及びＨＶＡＣコネクタ（３）は、オプションであり得る。

本願明細書に開示されているコントローラ１００の階層アーキテクチャ及びその中の構成要素は、一度に、取り付けれ、且つ／又は接続される必要はない。例えば、予算編成及びスケジュール設定の面でのフレキシビリティを可能にする多層改造プロジェクトにおいて、構成要素は、付加されてもよく、又は取り去られてもよい。或る実施例においては、コントローラ１００は、筐体内に、照明システムドライバ（１３）、フォトセンサ（１５）及び占有センサ（１６）と共に全コントローラを含む照明制御ソリューションとしてパッケージされ得る。このような構成は、例示的且つ非限定的な図５に示されている。詳細には、示されていない図１の構成要素、即ち、コントローラ１００の熱的快適ルール（２）、ＨＶＡＣコネクタ（３）及びサーモスタットセットポイントモジュール（４）は、存在するかもしれないが、機能的には、これらの構成要素は、アクティブではない、又はそうではない場合には、自動的にバイパスされる。この構成においては、照明負荷バランスモジュール（７）及び電灯照明及び遮光セットポイント（８）は、シェードのあらゆる考慮を省く。スタンドアロンの照明システムとしてのこの構成は、占有検出、日光の取り入れなどのような一般的な自動照明制御管理ストラテジを実施するのに適している。

シェードが、例示的且つ非限定的な図６に示されているように、１つ以上の窓に取り付けられ、ドライバコネクタ（１０）を通してコントローラ１００に接続される電動遮光システムにアップグレードされる場合、コントローラ１００は、より良い快適さ及びエネルギ節減のために電灯及びブライドの統合制御を自動的に実施することができる。グローバル／外部情報（２０）が、入手可能であり、接続される場合には、性能は、更に向上され得る。スマートグリッドインフラに接続された後は、監視信号（１９）の形態のＤＲ信号が、コントローラに供給されることができ、それによって、コントローラが、ＤＲプログラムに参加することを、例えば、最適なようにして負荷を自動的に制限することを可能にする。

同様に、コントローラ（１００）が、ＨＶＡＣシステム、即ち、ＢＡＳ（２１）、サーモスタット（１１）及び対応するセンサ（１７）に接続される場合、コントローラ（１００）は、最適な視覚的及び熱的快適さ並びにエネルギ効率のための、電灯、シェード及びサーモスタットの統合制御を実施することができる。

別の代替実施例は、例示的且つ非限定的な図７に示されているようにサーモスタット（１１）をコントローラ（１００）に組み込むものである。詳細には、この実施例によれば、コントローラ（１００）は、ゾーンのサーモスタットを完全に交換し、接続性のために他のサーモスタットによって用いられている通信プロトコルに準拠する必要性をなくす。この構成は、スタンドアロンのサーモスタットとしてパッケージされることができ、同じ階層アーキテクチャに基づくことができ、後で、全機能統合制御のために、照明及び遮光システムが付加されることができる。更に、この構成はまた、基本機能として占有及び／又は日光応答照明制御並びに温度セットポイント制御を備えるサーモスタット／照明コントローラコンボとしてパッケージされ得る。完全統合制御のために、遮光システムが別に接続されることができる。

図８は、別の実施例による統合コントローラ８００の例示的且つ非限定的なブロック図を示している。統合コントローラ８００は、ゾーンレベルにおける最適な快適さ及びエネルギ効率のための処理をなす自動的な決定及び両コントロールアクセスポイントの統合も供給する。更に、統合コントローラ８００は、グレアによる不快を明確に検出及び防止することによって、視覚的な快適さを向上させる。

統合コントローラ８００は、セットポイント決定エンジン８０１、照明負荷バランスエンジン８０２及びドライバコネクタ８０３から成る。コントローラ８００は、最適な制御の決定をなすために、検出インフラ８２０、外部グローバル情報８３０、及び監視信号８４０から入力を受け取る。コントローラ８００は、ドライバコネクタ８０３を通して、サーモスタット８１１、遮光システムドライバ８１２及び照明システムドライバ８１３を含む、制御ゾーン８１０の接続されるシステムハードウェアを作動させる。制御ゾーン８１０内の構成要素の各々の詳細な実施は、本願明細書において上でより詳細に記述されている。図８には示されていないが、コントローラ８００は、ＨＶＡＣコネクタ（３）及び閉ループコントローラ（９）などの付加的な構成要素を含み得ることに注意されたい。或る実施例においては、これらの構成要素は、ドライバコネクタ８０３に組み込まれる。

グローバル／外部情報８３０は、コントローラ８００によって、最適な制御の決定をなすために利用される。情報は、例えば、日付、太陽の位置、太陽放射照度、ＨＶＡＣの動作モードなどであり得る。負荷バランスエンジン８０２は、情報８３０の１つ以上のために利用され得る。監視信号８４０は、コントローラ８００をオーバーライドする又はコントローラ８００に付加的な情報を供給するためのチャネルとしての役割を果たす。信号は、ユーザの好み、ユーザ・オーバーライド、管理者（例えば、ビルメンテナンスマネージャ）からの命令、エネルギ使用量削減要求（ＤＲ信号）などの形態であり得る。ドライバコネクタ８０３は、算出される、電灯、シェード及びサーモスタットセットポイントと、制御ゾーン８１０内の各々のシステム８１１乃至８１３の実際のドライバとの間のゲートウェイである。ドライバコントローラ８０３の動作は、上で、図１を参照して詳細に記述されている。

この実施例によれば、コントローラ８００は、水平照度セットポイント及び垂直照度セットポイントに基づいて照明条件を設定する。この目的で、検出インフラ８２０は、占有センサ８２３及びＨＶＡＣセンサ８２４に加えて、水平照度フォトセンサ８２１及び垂直照度フォトセンサ８２２を含む（センサ８２３及び８２４は上で詳細に記述されている）。この特定の実施例においては、垂直照度フォトセンサ８２２は、コントローラ８００が、受け取った垂直照度情報に基づいて、不快なグレアを防止するよう部屋内の照明を動的に調節することを可能にするよう検出インフラ８２０に付加される。垂直照度フォトセンサ８２２は、占有者の目の高さにおける垂直照度を測定するために或る位置において窓に垂直に面して取り付けられる。この測定レベルが、不快なグレアの可能性の指標を供給する。水平照度フォトセンサ８２１は、水平面（例えば、机）における照度レベルを測定し、天井に面する床に取り付けられ得る。電灯、シェード／ブラインド及びサーモスタットのための最適な設定を決定するために、調節が実施される。

詳細には、セットポイント決定エンジン８０１は、３つのセットポイント、即ち、水平照度セットポイント、垂直照度セットポイント及びサーモスタットセットポイントを決定するよう設定される。水平照度セットポイントは、占有者によってタスクが実施されるのに適したタスク光量を指定する。垂直照度セットポイントは、しきい値であって、前記しきい値以上で不快なグレアが生じ得るしきい値としての役割を果たす。サーモスタットセットポイントは、屋内気温を快適なレベルに調節するために用いられる。セットポイントは、占有センサ８２３からの占有状態、ＨＶＡＣセンサ８２４からの現在のゾーンの熱的状態、及びユーザ指定好み、並びに監視信号８４０からのエネルギ使用量削減レベルといった入力のうちの１つ以上に基づいて決定される。結果として生じるサーモスタットセットポイントは、制御ゾーン８１０内のサーモスタット８１１のセットポイントを調節するためにドライバコネクタ８０３に直接供給される。水平及び垂直照度セットポイントは、グレア及び電力消費量を最小限にしながら空間（部屋）内に十分な照明を供給するよう最適な電灯及びシェード／ブラインド設定を決定するために照明負荷バランスエンジン８０２のためのリファレンスとしての役割を果たす。

或る実施例によるセットポイント決定エンジン８０１のブロック図が、例示的且つ非限定的な図９に示されている。セットポイント決定エンジン８０１は、水平照度セットポイントを設定するための水平照度セットポイントモジュール９１０と、垂直照度セットポイントを設定するための垂直照度セットポイントモジュール９２０と、サーモスタットセットポイントを設定するためのサーモスタットセットポイントモジュール９３０とを含む。

水平照度セットポイントは、部分的には、ユーザの好みに基づいて決定され、更に、エネルギ効率を考慮するために、センサ８２３（図８）から受け取られる占有状態、及びエネルギ使用量削減レベル、例えば、ＤＲイベントに従って調節される。ユーザの好み及び削減レベルは、監視信号８４０の一部として受け取られる。或る実施例においては、モジュール９１０は、ルールをベースにした設定プロセス（アルゴリズム）を用いて水平照度セットポイントを設定する。このようなルールをベースにしたものの非限定的な例は、
ユーザ指定水平タスク照度は、500luxであり、即ち、Iref=500luxであり、
占有状態が占有であり、且つエネルギ削減レベルが全くない場合には、Iset_h=Irefであり、
占有状態が占有であり、且つエネルギ削減レベルがローである場合には、Iset_h=0.9Irefであり、
占有状態が占有であり、且つエネルギ削減レベルがハイである場合には、Iset_h=0.7Irefであり、
占有状態が非占有である場合には、Iset_h=Ignoreであり、
Iset_hは、照明負荷バランスエンジン８０２が維持しようとする水平照度セットポイントであるというものであり得る。或る実施例においては、セットポイント決定エンジン８０１は、OpenADRなどのような確立されたエネルギ使用量削減プロトコルに準拠するよう実施され得る。

モジュール９２０は、部分的には、グレアによる不快のボーダーラインに対応する較正値に基づいて、垂直照度セットポイントを設定する。較正値は、測定位置における垂直照度から人間の目の高さにおける垂直照度へのマッピングを表す。この値は、更に、監視信号（８４０）を通して受け取られるユーザのグレア知覚に合わせて調節され得る。実際の垂直照度をセットポイント未満に制限することの重要度は、更に、センサ８２３から受け取られる占有の状態に基づく。或る実施例においては、モジュール９２０は、ルールをベースにした設定プロセス（アルゴリズム）を用いて垂直照度セットポイントを設定する。このようなルールをベースにしたものの非限定的な例は、
較正（デフォルト）垂直照度レベルは、2000luxであり、即ち、Gref=2000luxであり、
デフォルト設定は、ユーザによって、Gref=1800luxまで更に低下させられてもよく、
占有状態が占有である場合には、Iset_v=Grefであり、
占有状態が非占有である場合には、Iset_v=Ignoreであり、
Iset_vは、垂直照度セットポイントであるというものであり得る。照明負荷バランスエンジン８０２は、測定される垂直照明のレベルが、Iset_vのレベルを超えないことを確実にする。サーモスタットセットポイントモジュール９３０の動作は、上で詳細に記述したサーモスタットセットポイントモジュール（４）と同じである。

図８に戻って参照すると、照明負荷バランスエンジン８０２は、関連照明及びＨＶＡＣエネルギ負荷を最小限にしながら、セットポイント決定エンジン８０１から受け取られるセットポイントを満たすだろう電灯照明及び遮光システムのための設定のセットを算出する。照明システムドライバ８１３のためのあり得る設定は、照明の電源のオン又はオフ、及び照明レベルの減光を含む。遮光システムドライバ８１２のための設定は、シェードの高さの設定、又はブラインドの場合には展開／収縮レベル及びスラット角度の設定を含む。照明負荷バランスエンジン８０２は、閉ループのようにして、水平及び垂直照度センサからのリアルタイムセンサ測定値とそれらの各々のセットポイントを絶えず比較することによって、結果として生じる設定がセットポイントを満たすことを確実にする。上記のように、日付、太陽の位置及び放射照度、並びに管理者からのＨＶＡＣの動作モードなどのグローバル又は外部情報８３０も、最適な出力設定を決定するために照明負荷バランスエンジン８０２に供給され得る。

照明負荷バランスエンジン８０２は、電灯及び電動シェードの制御を設定するために最適化問題に対するソリューションを実施する。或る例示的な実施例においては、最適化問題は、
ε_L≦(I_{set_h}(k)-I_{sensor_h}(k))≦ε_H
I_{set_v}(k)≦I_{sensor_v}(k)を条件として、
E_L(k)+mE_Q(k)を最小化する （式３）
と規定され得る。

（式３）における最適化問題の目的は、エネルギ消費量を最小限にすることである。第１の式(E_L(k)+mE_Q(k))は、エネルギ消費量の指標であり、ここで、E_Lは、電灯照明負荷であり、E_Qは、電灯及び採光用開口太陽熱利得による付加的な冷却負荷であり、mは、重み付け係数であり、kは、関連時間ステップを示している。E_L及びE_Qは、グローバル／外部情報８３０からリアルタイム情報を取り込む数学的なモデルであり得る。

式(ε_L≦(I_{set_h}(k)-I_{sensor_h}(k))≦ε_H)及び(I_{set_v}(k)≦I_{sensor_v}(k))は、各々、水平及び垂直照度のためのセットポイントI_{set_h}及びI_{set_v}を満たすよう、各々、水平タスク光量及び垂直照度レベルを調節する、最適化問題定式化における制約である。I_{sensor_h}及びI_{sensor_v}は、各々、水平照度センサ８２１及び垂直照度センサ８２２からのセンサ読取値である。即ち、(ε_L≦(I_{set_h}(k)-I_{sensor_h}(k))≦ε_H)は、水平照度測定値及びセットポイントを比較し、水平照度測定値及びセットポイントの間の差を、満足なタスク光量のための小さな許容範囲（ε_L及びε_H）内に調節する。式(I_{set_v}(k)≦I_{sensor_v}(k))は、測定される垂直照度が、垂直照度セットポイントであって、前記垂直照度セットポイント以上では不快なグレアを生じ得る垂直照度セットポイントを超えないことを確実にする。これは、シェード及びブラインドが、快適な「タスク照明」の目的、即ち、コンピュータを使って仕事する又は書き込む目的及び潜在的なグレアによる不快の考慮により、日光を取り入れるのに十分には開かないようにして、遮光システムドライバ８１３を制御することによって達成され得る。

本願明細書に開示されている様々な実施例は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの任意の組み合わせとして実施され得る。更に、ソフトウェアは、好ましくは、デジタル回路、アナログ回路、磁気媒体又はそれらの組み合わせの形態であり得る、プログラム記憶ユニット、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体、又は非一時的な機械読み取り可能な記憶媒体において明らかに実施されるアプリケーションプログラムとして実施される。アプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャを有する機械にアップロードされ、前記機械によって実行されてもよい。好ましくは、機械は、１つ以上の中央演算処理装置（「ＣＰＵ」）、メモリ及び入力／出力インタフェースなどをハードウェアを有するコンピュータプラットフォームにおいて実施される。コンピュータプラットフォームは、オペレーティングシステム及びマイクロ命令コードも含み得る。本願明細書に記載されている様々なプロセス及び機能は、このようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、ＣＰＵによって実行され得る、マイクロ命令コードの一部若しくはアプリケーションプログラムの一部、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。更に、コンピュータプラットフォームには、付加的なデータ記憶ユニット及び印刷ユニットなどの様々な他の周辺装置が接続されてもよい。

本発明を、幾つかの記載実施例に関して、かなり長く、かなり詳細に記述しているが、本発明が、いずれかのこのような詳細若しくは実施例又はいずれかの詳細な実施例に限定されるべきであるとは意図されておらず、本発明は、添付の請求項に関して、従来技術を鑑みて、このような請求項の可能な限り広い解釈を供給するように、それ故、本発明の目的とする範囲を実際上含むように、解釈されるべきである。更に、前述の事項は、現在予見されない本発明の実質的でない修正が、それでもなお本発明の均等物を表し得るにもかかわらず、権能付与的記載が入手可能である本発明者によって予見される実施例の観点から本発明を記載している。

Claims (15)

1. 照明、シェード及びサーモスタットを制御するための方法であって、
   照明、シェード及びサーモスタットを制御するためのコントローラの快適レギュレータからの少なくとも１つのルールを設定するための指標を供給するステップと、
   ＨＶＡＣセンサ、占有センサ、照明及び遮光フォトセンサのうちの少なくとも１つから知覚情報を受け取るステップと、
   ドライバコネクタにより、前記知覚情報及び前記少なくとも１つのルールに関連して、前記照明、シェード及びサーモスタットを制御するために制御信号を生成するステップとを有する方法。
2. 前記少なくとも１つのルールが、熱的な快適さのためのルール及び視覚的な快適さのためのルールのいずれか１つであり、前記熱的な快適さのためのルールが、あり得る温度セットポイントの範囲を含み、視覚的な快適さのためのルールが、適切な総光量を決定する請求項１に記載の方法。
3. 前記セットポイントの範囲の算出が、前記熱的な快適さの重要度の決定に関連して実施される請求項２に記載の方法。
4. 前記適切な総光量が、更に、前記視覚的な快適さの重要度に基づいて決定される請求項３に記載の方法。
5. 非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体であって、１つ以上のコントローラに請求項１に記載の方法を実行させるための命令を前記非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体上に記憶している非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体。
6. 照明、シェード及びサーモスタットを制御するためのコントローラであって、
   少なくとも１つのルールを設定するための指標を供給するための少なくとも１つの快適レギュレータと、
   サーモスタット、照明及びシェードのうちの少なくとも１つを制御するための少なくとも１つのコントローラインタフェースと、
   ＨＶＡＣセンサ、占有センサ、照明及び遮光フォトセンサのうちの少なくとも１つから知覚情報を受け取るための少なくとも１つのセンサインタフェースとを有し、
   前記少なくとも１つのコントローラインタフェースが、前記知覚情報の受け取りに応じて、及び前記少なくとも１つのルールに基づいて、前記サーモスタット、前記照明及び前記シェードを最適な位置に制御するコントローラ。
7. 7. 前記少なくとも１つの快適レギュレータが、前記占有センサから受け取られる知覚情報を用いて前記少なくとも１つのルールの値を決定し、前記少なくとも１つのルールの前記値が、少なくとも、ユーザの快適さの好みと最小エネルギ消費量との間のバランスをとるよう決定される請求項６に記載のコントローラ。
8. 少なくとも１つの快適レギュレータに接続される熱的快適モジュールを更に有し、前記熱的な快適さが、熱的な快適さのための少なくとも１つのルールを保持するよう構成される請求項６に記載のコントローラ。
9. 前記熱的快適モジュールに接続され、前記熱的快適モジュールによって生成されるあり得る温度セットポイントの範囲内で、最小エネルギ消費量をもたらすセットポイントを選択するよう構成されるサーモスタットセットポイントモジュールを更に有する請求項８に記載のコントローラ。
10. 前記少なくとも１つの快適レギュレータに接続され、視覚的な快適さのための少なくとも１つのルールを保持するよう構成される視覚的快適モジュールを更に有する請求項６に記載のコントローラ。
11. 前記視覚的快適モジュールが、前記視覚的な快適さのための前記少なくとも１つのルールに基づいて総合照明のための１つ以上のセットポイントの値を設定し、算出する請求項１０に記載のコントローラ。
12. ＨＶＡＣコネクタに接続される照明負荷バランスモジュールを更に有し、前記照明負荷バランスモジュールが、最適な電光量及び最適な外部光量のための少なくとも１つのセットポイントの値を決定するよう構成される請求項１０に記載のコントローラ。
13. 前記少なくとも１つのフォトセンサからフィードバック入力及びリファレンス入力として前記電灯照明及び遮光セットポイントを受け取るよう構成される閉ループコントローラと、
    サーモスタットセットポイントモジュール及び前記閉ループコントローラに接続されるドライバコネクタであって、前記制御ゾーン内のサーモスタット、遮光システムドライバ及び照明システムドライバのうちの少なくとも１つに接続されているドライバコネクタとを更に有する請求項１２に記載のコントローラ。
14. 照明システムドライバ、遮光システムドライバ及びサーモスタットを制御するためのコントローラであって、
    少なくとも、水平照度セットポイント、垂直照度セットポイント及びサーモスタットセットポイントのための設定を決定するためのセットポイント決定エンジンであって、前記決定が、ルールをベースにした設定プロセスに基づいて実施されるセットポイント決定エンジンと、
    前記照明及び前記遮光のための設定のセット決定するための照明負荷バランスエンジンであって、前記設定のセットが、少なくとも、受け取られる前記セットポイントを満たし、前記セットポイント決定エンジンが、少なくとも、前記水平照度セットポイント及び前記垂直照度セットポイントを満たし、前記設定のセットが、前記照明システムによる電力消費量及びグレアを最小化するために決定される照明負荷バランスエンジンと、
    部分的に、前記サーモスタットセットポイント、及び前記照明負荷バランスエンジンによって決定される前記設定のセットに基づいて、制御ゾーン内の前記サーモスタット、前記照明システムドライバ及び前記遮光システムドライバを制御するためのドライバコネクタとを有するコントローラ。
15. 前記照明負荷バランスエンジンが、水平照度センサ及び垂直照度センサから知覚情報を受け取り、前記設定のセットが、受け取られる前記知覚情報に応じて決定される請求項１４に記載のコントローラ。

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