JP2019507858A - 建物管理システムの制御のための電子デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

建物（５６）のための熱−流体システムを調整するための電子デバイス（１）であって、加熱／冷却システム（５０，５４；８０，８２，８４，８５）内の温水／冷水の流量を制御するように適応される混合バルブ（５２，５２'）を有する加熱／冷却システム（５０，５４；８０，８２，８４，８５）を備え、デバイス（１）は、建物管理システム（５６）から主信号（４）を受信し、建物（５６）のために所望のパラメータを表す予め定義された参照信号（６）を受信し、前記建物（５６）に設置され、建物（５６）の環境パラメータを測定するように適応される環境センサーからの環境信号（８）を受信し、それぞれの混合バルブ（５２，５２'）の開又は閉を変更すべく、それぞれの前記混合バルブと関連付けられるアクチュエータの方に制御信号（１０）を発するように適応される制御ユニット（２）を備える。

Description

本発明は、建物のための熱−流体設備を調整するための電子デバイスおよび方法に関する。

建物における環境快適性の最適化は、ますます重要になっているテーマである。科学文献は、いかに様々な快適性の態様、特に熱的快適性及び空気質が、占有者の健康に直接つながりがあるか、労働環境において占有者の生産性に直接つながりがあるかを示す相当数の研究活動を報告する。

非常に多くの場合、環境の温度、相対湿度及び汚染物濃度などの所望されるパラメータ値を維持することは、簡単でも経済的でもない。建物の意図される使用、その中に取り付けられる設備のタイプ、その占有時間及びモードによれば、環境パラメータは、様々な方法において制御され得る。

最新式の統合制御及び調整システムを含む熱流体システムが、市場で利用可能であるが、ターシャリ（ｔｅｒｔｉａｒｙ）建物に取り付けられる大多数の設備は、実際の環境要件とは対照的に、基準値に基づく制御ロジックにより制御される。

非常に多くの場合、実のところ、屋内空気温度は、屋外空気温度の値に基づいて調整される（オープンループ制御）。

これらの場合、制御する建物と関連付けられる発生システムにより生成される温水は、屋外温度に基づいて決定される温度で建物の配水システムに水を供給すべく、再循環水と混合される。従って、発生システムは、建物の配水システムにおいて、温水生成の下流及び配水の上流に位置する外部温度センサー及び混合バルブの存在を必要とする。

熱制御、すなわち、例えば、ラジエータ、ファンコイルユニット、放熱パネルなどの放出システムを介して加熱又は冷却をすることだけを有する水設備の場合、熱−流体設備の通常の動作は、上記のロジックに従う。

熱制御が空気質の制御で補われる組み合わされた空気−水システム又は空気のみのシステムの場合には、調整がはるかに複雑である。環境へと放出される前に、外気又は再循環空気は、適切に処理される必要があり、すなわち、必要に応じて加熱、冷却又は除湿される必要がある。

これらの場合、調整は、２つのレベルで実行される。第１のレベルは、混合バルブを経由してＡＴＵ（空気処理ユニット）の加熱用バッテリ／冷却用バッテリに供給される流体を加熱すること／冷却することに関する。第２のレベルは、調整可能なゲートを介した環境への処理空気の供給に関する。

熱的な観点から、流体は、水設備のために採用されるロジックと同様である制御ロジックに従う。

環境に流入する空気の調整について、制御は、（新鮮な空気と再循環される空気との比を決定する）外気の吸入口のためのゲートと、同じ環境に由来する排気の再生のためのゲートとの両方に作用し、環境に存在する空気吸入口ターミナルに至るダクトに設置されるゲートに作用する。

現在、大多数の場合、調整デバイス（混合バルブ及びゲート）は、設備それ自体に統合されているが、それらの動作は、設計データに基づき、実際の環境要件に基づかない固定値が設定された標準的な実施により決定される。これらは、電力消費システムであるので、設備調整への間違ったアプローチは、エネルギーコストが高くなることを意味する。

建物それ自体からの環境条件のクローズドループ制御は、一方では、制御下の建物内の快適性をより効率的に保持するのを可能にするであろうが、他方では、処理下の環境における任意の自由なエネルギー寄与（太陽照射、イルミネーション、建物内の人数、コンピュータ及び／又はプリンタの存在など）を考慮に入れることを可能にするであろう。

このクローズドループ制御は、そのようなシステムの制御ユニットに対して過度に複雑で高価な変更を必要とするものなので、現在行われていない。

従って、本発明の目的は、既存のシステムに対する複雑な介入を必要とすることなく、建物の環境条件をクローズドループモードで制御することを可能にする建物に使用される熱−流体設備を制御するための電子デバイス及び方法を提案することである。

この目的及び他の目的は、その特徴が請求項１に規定される熱−流体設備を制御するための電子デバイス、及び請求項４及び５に明確に述べられる熱−流体設備の温度及び二酸化炭素レベルを調整するための方法により達成される。

特定の実施形態は、従属請求項に明確に述べられ、その内容は、本説明の一体化部分として理解されるべきである。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図面を参照して、単に非限定的な例として与えられる以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
本発明による電子デバイスのブロック図を示す。 気候条件が、オープンループシステムによって制御される、建物の図を示す。 空気処理ユニットの図を示す。 図１のデバイスにより行われる温度／二酸化炭素レベルを調整するための方法のブロック図を示す。

図１は、本発明による建物の気候条件を制御するためのデバイスを示す。

デバイス１は、（混合バルブを開／閉することにより建物の配水システムに温水又は冷水を送る加熱ユニット又は冷却ユニットを含むタイプの）建物の従来の加熱／冷却システム、又はより一般的には、上述のように、空気処理ユニットをも備えるＨＶＡＣ（暖房、通気及び空調）システムと関連付けられるように適応される。

図２は、建物５６の加熱ユニット５０（又は、代案として、冷却ユニット）、混合バルブ５２及び加熱デバイス５４（又は、代案として、冷却デバイス）を備える従来の加熱システムを示す。温水（又は冷水）は、混合バルブ５２を開／閉することにより矢印Ａにより示される方向の建物５６の方にユニット５０により配水される。

図３は、加熱用バッテリ８２、冷却用バッテリ８４及び加熱後用バッテリ８５を含むＡＴＵ８０を示す。

第１ダクト８６は、外気が入り、第１ゲート８８を通って、ＡＴＵ８０の方に流れるのを可能にする一方、第２ダクト９０は、建物（図面に示されていない）から来る空気が、第２ゲート９２を通ってＡＴＵ８０の方に再循環するのを確実にする。

混合バルブ５２と同様に、混合バルブ５２'が、加熱用バッテリ８２、冷却用バッテリ８４及び加熱後用バッテリ８５と関連付けられ、それらのバルブは、外気又は再循環される空気を加熱／冷却すべく、ＡＴＵ８０内に流れる温水／冷水を制御するように適応される。

処理空気は次に、ＡＴＵ８０から流れ出て、第３ダクト９４を通って制御する建物の方へ送られる。

図１に戻り参照すると、デバイス１は、例えば、マイクロプロセッサなどの制御ユニット２を備え、制御ユニット２は、
−それ自体知られている建物管理システム（ＢＭＳ）に由来する主信号４、
−参照信号６、好ましくは、ユーザにより設定され、関係する建物のための所望のパラメータを表す温度信号、及び、
−例えば、温度、湿度、二酸化炭素レベルなどの環境パラメータを測定するように適応される、建物（図面に示されていない）に位置する環境センサーに由来する環境信号８
を受信するように適応される。

建物管理システムは、制御される建物と関連付けられ、混合バルブ５２、５２'に制御信号を供給する、及び／又はＡＴＵ８０の空気ダクト８６、９０を開／閉するためのゲート８８、９２に制御信号を供給するように適応される既存のシステムである。

制御ユニット２は、それぞれの混合バルブ５２、５２'又はゲート８８、９２のアクチュエータの方へ制御信号１０を発するように適応される。特に、そのような制御信号１０は、混合バルブ５２、５２'及びゲート８８、９２をそれぞれ開／閉する混合バルブ５２、５２'及びゲート８８、９２のそれぞれのアクチュエータに送信される。制御ユニット２は、それ自体知られている態様において、例えば、２４Ｖ又は２２０Ｖの電力信号によって電源が供給される。

制御信号１０を得るべく、制御ユニット２は、温度調整プロセス及び／又は二酸化炭素レベル調整プロセスをそれぞれ行い、そのことは、下記により詳細に説明される。

本発明によるデバイス１は、環境センサーに由来する情報を統合することにより、建物の加熱／冷却システムにおけるクローズドループシステムを作り出すことができる電子デバイスである。

それぞれの制御信号１０を受信するアクチュエータは、三方向混合バルブ５２、５２'の開比率、又はゲート８８、９２の開比率を変更するように適応される。

デバイス１は、主信号４を伝えるケーブルと、アクチュエータそれ自体との間で、各アクチュエータの上流に取り付けられる。

本発明の望ましい実施形態において、制御信号１０は、アクチュエータに適用される主信号４に変更を提案する。

制御アクチュエータを介して、人は、所望の快適性を実現すべく、空気処理ユニット８０のゲート８８、９２の開／閉と、加熱／冷却ユニットから来る温水／冷水の流量とを調整できる。

本発明による制御デバイス１は、既存のシステムへの統合のためのコストを低減することを可能にする。

制御デバイス１は、ＩｏＴ（モノのインターネット）ロジックに従って動作し、それは、アナログ信号を読み取り得、精緻化により新たなものを作り出す。

図４は、建物の温度を調整するための制御ユニット２により行われる温度調整方法のブロック図を示す。この方法は好ましくは、ファジーアルゴリズム、ファジーＰＩＤのようなアルゴリズム、又は場合により、ファジーＰＩＤアルゴリズムに基づく。

ファジー論理は、それが通常の経験から導かれる概念の形式化によってシステムを調整することを可能にするので、使用される。これらのタイプの調整アルゴリズムは、非常に良好なパフォーマンスを提供し、制御されているシステムの数学的なモデル化（ｍｏｄｅｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を必要とせず、それらは、必ずしも直観的でないＰＩＤ調整パラメータの見積もりも必要としない。

これらのアルゴリズムのベースにあるアイデアは、分量がまた、ブーリアン値に加えて、所与の式の真実性の程度を示す値のセットをとり得るということである。

本発明による温度調整方法は、建物の内部温度を調整すべく、アルゴリズムを採用し、それによって、制御信号１０が得られ、そのことは、空気処理ユニット８０の混合バルブ５２、５２'又はゲート８８、９２を開又は閉にすることにより、建物内の所望の温度（又は、二酸化炭素レベル）を得ることを可能にする。

図４において、参照値、例えば、参照温度Ｔ_ｒｉｆは、ユーザにより定められ、温度信号６によって制御ユニット２に送られる。制御ユニット２の総和ブロック１００は、参照温度Ｔ_ｒｉｆと、建物内に取り付けられる温度センサーにより測定され、環境信号８のうち１つによって制御ユニット２に送信される、建物の内部温度Ｔ_{ｉｎｔｅｒｎａ}との間の誤差ｅ（ｔ）を計算する。

誤差ｅ（ｔ）及びその１次導関数ｄｅ（ｔ）／ｄｔは、制御ユニット２のファジーコントローラブロック１０２に送信され、それにより、それ自体知られているファジーアルゴリズムを使って、主信号４と、誤差信号ｅ（ｔ）及びｄｅ（ｔ）／ｄｔとを比較し、次にバルブ５２、５２'の方に向けられる制御信号１０を生成する。

好ましくは、デバイス１は、開／閉するバルブ５２、５２'のアクチュエータに０Ｖから１０Ｖまでの信号を送信する。

二酸化炭素レベルの調整に関する限り、制御信号１０は、参照二酸化炭素レベル値Ｃ_ｒｉｆと、測定される二酸化炭素レベル値Ｃ_{ｉｎｔｅｒｎｏ}とに基づいて図４のスキームと同様なスキームに従うことにより計算され、ＨＶＡＣシステムの空気処理ユニット８０の開／閉ゲート８８、９２に送信される。

２つの入力変数、すなわち調整誤差ｅ（ｔ）及びその導関数ｄｅ（ｔ）／ｄｔが、温度調整と二酸化炭素の調整との両方のために、上記の制御アルゴリズムによって使用される。

本発明に係る方法において、誤差ｅ（ｔ）及びその変分Δｅ（ｔ）は、前項（ａｎｔｅｃｅｄｅｎｔ）として使用される。これらの変数と制御信号１０との間のファジーな含意（ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ）は、既存の文献に由来し得る（例えば、サーベット・ソイグダー、メーメット・カラコス、ハサン・アリによる（ｂｙ Ｓｅｒｖｅｔ Ｓｏｙｇｕｄｅｒ， Ｍｅｈｍｅｔ Ｋａｒａｋｏｓｅ， Ｈａｓａｎ Ａｌｌｉ）論文「エクスパートＨＶＡＣシステムのための自己調整ＰＩＤ型のファジー適応制御の設計及びシミュレーション」（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｌｆ−ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ−ｔｙｐｅ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａｎ ｅｘｐｅｒｔ ＨＶＡＣ ｓｙｓｔｅｍ）、エルゼビア（ＥＬＳＥＶＩＥＲ）、Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ３６ （２００９） ４５６６-４５７３、又はＡ．Ｋ．パル及びＲ．Ｋ．ムディによる（ｂｙ Ａ． Ｋ． Ｐａｌ ａｎｄ Ｒ． Ｋ． Ｍｕｄｉ）論文「自己調整ファジーＰＩコントローラ及びＨＶＡＣシステムへのその応用」（Ｓｅｌｆ−Ｔｕｎｉｎｇ Ｆｕｚｚｙ ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ＨＶＡＣ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、計算認識の国際ジャーナル（ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＧＮＴＩＯＮ）（ＨＴＴＰ：／／ＷＷＷ．ＩＪＣＣ．ＵＳ），ＶＯＬ．６，ＮＯ．１，２００８年３月を参照。）

もちろん、本発明の原理を損なわずに、実施形態の形式及び実施の詳細は、非限定的な例として本明細書に説明及び図示されるものから広く変更され得るが、添付の特許請求の範囲に明確に述べられる本発明の保護範囲から逸脱することなくである。

Claims (5)

1. 建物のための熱−流体設備を調整するための電子のデバイスであって、加熱システム又は冷却システム内の温水又は冷水の流量を制御するように適応される混合バルブを有する加熱システム又は冷却システムを備え、前記デバイスは、
   −建物管理システムから主信号を受信し、
   −前記建物のために所望のパラメータを表す予め定義された参照信号を受信し、
   −前記建物に設置され、前記建物の環境パラメータを測定するように適応される環境センサーからの環境信号を受信し、
   −それぞれの混合バルブの開又は閉を変更すべく、それぞれの混合バルブと関連付けられるアクチュエータの方に制御信号を発する
   ように適応される制御ユニット
   を備える
   デバイス。
2. 建物のための前記熱−流体設備はさらに、前記建物の外部からの空気又は前記建物からの再循環空気の空気処理ユニットへのエントリを可能にするゲートを有する空気処理ユニットを備え、前記デバイスはまた、それぞれのゲートの開又は閉を制御すべく、それぞれの前記ゲートと関連付けられるアクチュエータに制御信号を送信するように適応される、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記制御信号は、前記混合バルブ又は前記ゲートの開又は閉の予め定められた比率を得るために前記主信号の変更を提案する、
   請求項２に記載のデバイス。
4. 建物のための熱−流体設備の温度を調整するための方法であって、
   −前記主信号を伝えるケーブルと、前記混合バルブのうち１つと関連付けられるそれぞれのアクチュエータとの間に請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイスを提供する段階と、
   −参照温度信号（Ｔ_ｒｉｆ）を受信する段階と、
   −前記建物内で測定される参照温度と内部温度（Ｔ_{ｉｎｔｅｒｎａ}）との間の誤差（ｅ（ｔ））を計算する段階と、
   −前記誤差の１次導関数（ｄｅ（ｔ）／ｄｔ）を計算する段階と、
   −前記混合バルブの方に向けられる前記制御信号を取得するために、前記主信号と、前記誤差（ｅ（ｔ））の信号及び誤差の前記１次導関数（ｄｅ（ｔ）／ｄｔ）の信号とを比較すべくファジーアルゴリズムを適用する段階と
   を備える方法。
5. 建物のための熱−流体設備の二酸化炭素レベルを調整するための方法であって、
   −前記主信号を伝えるケーブルと、前記ゲートのうち１つと関連付けられるそれぞれのアクチュエータとの間に請求項２又は３に記載のデバイスを予め配置する段階と、
   −参照二酸化炭素レベル信号（Ｃ_ｒｉｆ）を受信する段階と、
   −参照二酸化炭素レベルと、前記建物内で測定される内部二酸化炭素レベル（Ｃ_{ｉｎｔｅｒｎｏ}）との間の誤差（ｅ（ｔ））を計算する段階と、
   −前記誤差の１次導関数（ｄｅ（ｔ）／ｄｔ）を計算する段階と、
   −前記ゲートの方に向けられる前記制御信号を取得するために、前記主信号と、前記誤差（ｅ（ｔ））及び誤差の前記１次導関数（ｄｅ（ｔ）／ｄｔ）信号とを比較すべくファジーアルゴリズムを適用する段階と
   を備える方法。

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