KR20180118694A - 건물 관리 시스템의 제어를 위한 전자 디바이스 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건물(56)을 위한 열-유체 시스템을 조정하기 위한 전자 디바이스(1)에 관한 것이며, 이 전자 디바이스(1)는 혼합 밸브들(52, 52')을 포함하는 가열/냉각 시스템(50, 54; 80, 82, 84, 85)을 포함하며, 혼합 밸브들(52, 52')은 상기 가열/냉각 시스템(50, 54; 80, 82, 84, 85) 내에서 고온/저온 물의 유동들을 제어하도록 적응되며, 이 디바이스(1)는, 제어 유닛(2)을 포함하고, 제어 유닛(2)은 건물 관리 시스템(56)으로부터 주 신호(4)를 수신하며; 건물(56)을 위한 바람직한 매개변수를 나타내는 사전규정된 기준 신호(6)를 수신하고; 건물(56)에 배치되고 건물(56)의 환경 매개변수들을 측정하도록 적응되는 환경 센서들로부터 환경 신호들(8)을 수신하며; 그리고 그 개방 또는 폐쇄를 수정하기 위해 각각의 혼합 밸브(52, 52')와 연관된 액추에이터를 향하여 제어 신호(10)를 발행하도록 적응된다.

Description

건물 관리 시스템의 제어를 위한 전자 디바이스 및 방법
본 발명은 건물들을 위한 열-유체 설비들(thermo-fluidic installations)을 조정하기 위한 전자 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
건물들에서의 환경적인 쾌적함(comfort)의 최적화는, 점점 더 중요해지는 테마(theme)이다. 과학적인 문헌은, 쾌적함의 여러 측면들, 특히, 열적 쾌적함 및 공기 품질이 거주자들의 웰-빙(well-being) 및, 작업 환경들에서, 거주자들의 생산성에 어떻게 직접 연결되는지를 보여주는 상당한 수의 연구 작업들을 보고한다.
매우 종종, 매개변수들, 예컨대 환경에서의 온도, 상대 습도 및 오염 농도의 바람직한 값들을 유지하는 것은 간단하지도 경제적이지도 않다. 건물의 의도된 사용, 내부에 설치된 설비 유형 및 그 점유의 시간들 및 모드들에 따라, 환경 매개변수들이 다양한 방식들로 제어될 수 있다.
비록 최신식 일체형 제어 및 조정 시스템들을 포함하는 열-유체 시스템들이 시장에서 입수가능하지만, 3차 건물들(tertiary buildings)에서 설치된 대부분 설비들은, 실제적인 환경 요건들과 대조적으로 표준 값들에 기초하여 제어 로직들에 의해 제어된다.
매우 종종, 사실상, 실내 공기 온도들은 실외 공기 온도(개방 루프 제어)의 값에 기초하여 조정된다.
이러한 경우들에서, 제어할 건물과 연관된 생성 시스템에 의해 제조된 고온 물은, 실외 온도들에 기초하여 결정되는 온도의 물을 건물의 분배 시스템에 공급하기 위해 재순환 물로 혼합된다. 따라서, 생성 시스템(generation system)은 외부 온도 센서 및 고온 물 생성의 하류에 그리고 건물의 분배 시스템에서 물 분배 상류에 위치되는 혼합 밸브의 존재를 요구한다.
라디에이터들(radiators), 팬 코일 유닛들, 라디에이팅 패널들(radiating panels) 등과 같은 방사(emission) 시스템들을 통해 열적 제어, 즉 가열 또는 냉각만을 갖는 물 설비들의 경우에, 열-유체 설비들의 전형적인 작동은 전술된 로직들을 따른다.
조합된 공기-물 시스템들 또는 공기 전용 시스템들의 경우에, 여기서 열적 제어는 공기 품질 제어가 보충되며, 조정이 매우 더 복합하다. 환경으로 운반되기 전에, 외부 또는 재순환 공기는 적합하게 처리되어야 하며, 즉, 필요에 따라 가열되고, 냉각되거나 제습되어야 한다.
이러한 경우들에서, 조정이 2개의 레벨들 상에서 실행되며: 제1 레벨은 혼합 밸브들을 통해 ATUs(Air Treatment Units)의 가열/냉각 배터리들에 공급될 유체들을 가열하는/냉각하는 것에 관한 것이다.
제2 레벨은 조절가능한 게이트들을 통해 환경 내로 처리된 공기를 공급하는 것에 관한 것이다.
열적 관점으로부터, 유체들은 워터 설비들을 위해 채택된 것들과 유사한 제어 로직들을 따른다.
환경 내로의 공기 유동들의 조정에 대해, 제어는 외부 공기의 유입구를 위한 게이트들 상에 작용할 뿐만 아니라(이는 신선하고 재순환된 공기의 분율을 결정함) 동일한 환경으로부터 나오는 배출된 공기의 회수를 위한 게이트들 상에 작용하고, 그리고 환경으로부터 존재하는 공기 유입구 단자들로 이어지는 덕트들 상에 배치되는 게이트들 상에 작용한다.
현재, 대부분의 경우들에서, 조정 디바이스들(혼합 밸브들 및 게이트들)은 설비들 자체 내로 통합되지만, 이들의 작동은 표준 사례들에 의해 지시되며, 여기서 설계 데이터에 기초하고 그리고 실제 환경 요건들에 기초하지 않는 고정된 값들이 설정된다. 이들이 파워-소모 시스템들이기 때문에, 설비 조정에 대한 잘못된 접근법은 보다 높은 에너지 비용들을 암시한다.
건물 자체로부터 환경 조건들의 폐쇄-루프(closed-loop) 제어는, 한편으로, 더 효과적으로 제어 하에서 건물에서 쾌적함을 유지하는 것을 허용할 것인 반면, 다른 한편으로, 이 폐쇄-루프 제어는 처리 하에서 환경에서 임의의 자유 에너지 기여들(태양광 조사(solar irradiation), 조명, 건물에서의 사람 수, 컴퓨터들 및/또는 프린터들의 존재 등)을 고려하는 것을 허용할 것이다.
이러한 폐쇄-루프 제어는 현재 실시되고 있지 않는데, 왜냐하면 폐쇄-루프 제어가 이러한 시스템들의 제어 유닛들에 대한 과도하게 복잡하고 그리고 비싼 수정들을 요구할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 건물들에서 사용되는 열-유체 설비들을 제어하기 위한 전자 디바이스 및 방법을 제안하는 것이며, 이는 폐쇄-루프 모드에서, 기존 시스템들 상에서 복잡한 개입들(interventions)을 요구함 없이 건물의 환경 조건들을 제어하는 것을 허용한다.
이러한 그리고 다른 목적들은 열-유체 설비를 제어하기 위한 전자 디바이스(이의 특징들은 제1 항에서 규정됨), 및 제4 항 및 제5 항에서 제시되는 바와 같이 열-유체 설비의 온도 및 이산화탄소 레벨을 조정하기 위한 방법에 의해 달성된다.
특정한 실시예들은 종속항들에서 제시되며, 이의 내용들은 본 설명의 통합하는 부분으로서 이해될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들이 부가된 도면들을 참조로 하여 단지 비제한적인 예로써 주어진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전자 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 2는 건물의 다이어그램을 도시하며, 여기서 기후 조건들이 개방-루프 시스템에 의해 제어된다.
도 3은 공기 처리 유닛의 다이어그램을 도시한다.
도 4는 도 1의 디바이스에 의해 실행되는 온도/이산화탄소 레벨을 조정하기 위한 방법의 블록도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따라 건물의 기후 조건들을 제어하기 위한 디바이스를 도시한다.
디바이스(1)는 (혼합 밸브를 개방/폐쇄함으로써 건물의 분배 시스템을 향하여 고온 또는 저온 물을 보내는 가열/냉각 유닛을 포함하는 유형의)건물의 전형적인 가열/냉각 시스템과, 또는 더 일반적으로, 이전에 언급된 바와 같이, 공기 처리 유닛을 또한 포함하는 HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템과 연관되도록 적응된다.
도 2는 건물(56)의 가열 유닛(50)(또는, 대안으로서, 냉각 유닛), 혼합 밸브(52) 및 가열 디바이스(54)(또는, 대안으로서, 냉각 디바이스)를 포함하는 전형적인 가열 시스템을 도시한다. 고온(또는 저온) 물은 혼합 밸브(52)를 개방/폐쇄함으로써 화살표(A)에 의해 도시되는 방향으로 건물(56)을 향하여 유닛(50)에 의해 운반된다.
도 3은 가열 배터리(82), 냉각 배터리(84) 및 후-가열 배터리(85)를 포함하는 ATU(80)를 도시한다.
제1 덕트(86)는 외부 공기가 ATU(80)를 향하여 제1 게이트(88)를 통해 진입하고 유동하는 것을 허용하는 반면, 제2 덕트(90)는 제2 게이트(92)를 통해 ATU(80)를 향하여 건물(도면에서 도시되지 않음)로부터 들어오는 공기의 재순환을 보장한다.
혼합 밸브(52)와 유사한 혼합 밸브들(52')은 가열 배터리(82), 냉각 배터리(84) 및 후-가열 배터리(85)와 연관되며, 이 밸브들은 실외 공기 또는 재순환된 공기를 가열하기/냉각하기 위해 ATU(80) 내에서 고온/저온 물 유동들을 제어하도록 적응된다.
처리된 공기는, 그 후, ATU(80) 밖으로 유동하고 그리고 제3 덕트(94)를 통해 제어할 건물을 향하여 전송된다.
도 1을 다시 참조하면, 디바이스(1)는 제어 유닛(2), 예컨대 다음 신호들을 수신하도록 적응된 마이크로프로세서를 포함한다:
- 자체 공지된 건물 관리 시스템(BMS)으로부터 나오는 주 신호(main signal)(4);
- 사용자에 의해 설정되고 그리고 수반되는 건물을 위한 바람직한 매개변수를 나타내는 기준(reference) 신호(6), 바람직하게는, 온도 신호; 및
- 온도, 습도, 이산화탄소 레벨 등과 같은 환경 매개변수들을 측정하도록 적응되는, 건물(도면에서 도시되지 않음)에서 위치되는 환경 센서들로부터 나오는 환경 신호들(8).
건물 관리 시스템은 제어되는 건물과 연관되고 그리고 제어 신호들을 혼합 밸브들(52, 52')에 그리고/또는 ATU(80)의 공기 덕트들(86, 90)을 개방하기/폐쇄하기 위한 게이트들(88, 92)에 공급하도록 적응되는 기존의 시스템이다.
제어 유닛(2)은 각각의 혼합 밸브(52, 52') 또는 게이트(88, 92)의 액추에이터(actuator)를 향하여 제어 신호(10)를 발행하도록(issue) 적응된다. 특히, 이러한 제어 신호들(10)은 밸브들(52, 52') 및 게이트들(88, 92)의 각각의 액추에이터들로 전송되며, 이 액추에이터들은 밸브들(52, 52') 및 게이트들(88, 92)을 각각 개방한다/폐쇄한다.
제어 유닛(2)은, 예컨대, 24V 또는 220V 파워 신호를 통해 자체 공지된 방식으로 전원공급된다.
제어 신호(10)를 획득하기 위해, 제어 유닛(2)은 온도 조정 공정 및/또는 이산화탄소 레벨 조정 공정을 각각 실행하며, 이는 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
본 발명에 따른 디바이스(1)는 환경 센서들로부터 나오는 정보를 통합시킴으로써 건물의 가열/냉각 시스템에서 폐쇄-루프 시스템을 발생시킬 수 있는 전자 디바이스이다.
각각의 제어 신호(10)를 수신하는 액추에이터들은 3개-통로 혼합 밸브(52, 52')의 개방의 백분율(percentage) 또는 게이트(88, 92)의 개방의 백분율을 변경하도록 적응된다.
디바이스(1)는 주 신호(4)를 운반하는 케이블 및 액추에이터 자체 사이에 각각의 액추에이터의 상류에 설치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어 신호(10)는 액추에이터에 적용될 주 신호(4)에 대한 수정을 제안한다.
제어 액추에이터들을 통해, 하나의 제어 액추에이터는, 요망되는 편안함을 획득하기 위해 공기 처리 유닛(80)의 게이트들(88, 92)의 개방/폐쇄 및 가열/냉각 유닛들로부터 나오는 고온/저온 물의 유량을 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 제어 디바이스(1)는 기존의 시스템들 내로의 통합을 위한 비용들을 감소시키는 것을 허용한다.
제어 디바이스는 IoT(Internet of things) 로직들(logics)에 따라 작동하며; 제어 디바이스는 아날로그 신호들(analog signals)을 판독할 수 있고, 그리고, 정교한 장치(elaboration)를 통해 새로운 신호들을 생성할 수 있다.
도 4는 건물에서의 온도를 조정하기 위한 제어 유닛(2)에 의해 수행되는 온도 조정 방법의 블록도를 도시한다.
이러한 방법은 바람직하게는, 퍼지(fuzzy), 퍼지 PID 형(fuzzy PID like) 또는 가능하게는 퍼지 PID 알고리즘들(algorithms)에 기초한다.
퍼지 로직이 사용되는데, 왜냐하면 퍼지 로직이 일반적인 체험으로부터 유도되는 개념들의 공식화(formalization)를 통해 시스템을 조정하는 것을 허용한다. 조정 알고리즘들의 이러한 유형들은 매우 양호한 성능들을 제공하고 그리고 제어되는 시스템의 수학적인 모델화(modellization)를 요구하지 않거나, 조정 알고리즘들의 이러한 유형들은 항상 이해하기 쉽지 않은 PID 조정 매개변수들의 추정을 요구하지 않는다.
이러한 알고리즘들에 기초한 개념은, 수량이 또한, 불 값들(Boolean values) 이외에도, 주어진 표면의 진실성의 정도를 나타내는 값들의 세트를 취할 수 있다.
본 발명에 따른 온도 조정 방법은, 건물의 내부 온도를 조정하기 위해, 알고리즘을 채택하며, 이 알고리즘에 의해 제어 신호(10)는 획득되며, 이는, 공기 처리 유닛(80)의 밸브(52, 52') 또는 게이트(88, 92)를 개방하거나 폐쇄함으로써, 건물 내측에서 바람직한 온도(또는 이산화탄소 레벨)을 갖는 것을 허용한다.
도 4에서, 기준 값, 예컨대, 기준 온도(Trif)는 사용자에 의해 규정되고 그리고 온도 신호(6)를 통해 제어 유닛(2)으로 전송된다. 제어 유닛(2)에서의 합계 블록(100)은 기준 온도(Trif)와 건물 내측에 설치된 온도 센서에 의해 측정된 건물의 내부 온도(Tinterna) 사이에서 오차(error)(e(t))를 컴퓨팅하고 그리고 환경 신호들(8) 중 하나를 통해 제어 유닛(2)으로 전송된다.
오차(e(t)) 및 그 1차 도함수(derivative)(de(t)/dt)는 제어 유닛(2)의 퍼지 제어기 블록(102)으로 전송되며, 이는, 자체 공지된 퍼지 알고리즘을 통해, 오차 신호들(e(t) 및 de(t)/dt)과 주 신호(4)를 비교하고 그리고 결국, 밸브(52, 52')를 향하여 지향되는 제어 신호(10)를 발생시킨다.
바람직하게는, 디바이스(1)는 개방할/폐쇄할 밸브(52, 52')의 액추에이터에 0V 내지 10V 신호를 전송한다.
이산화탄소 레벨 조정이 고려되는 한, 제어 신호(10)는 기준 이산화탄소 레벨 값(Crif) 및 측정된 이산화탄소 레벨 값(Cinterno)에 기초하여 도 4의 것과 유사한 계획(scheme)을 뒤따름으로써 컴퓨팅되고, 그리고 HVAC 시스템의 공기 처리 유닛(80)의 개방/폐쇄 게이트(88, 92)로 전송된다.
2개의 입력 변수들은 온도 조정 및 이산화탄소 조정 양자 모두를 위해 전술된 제어 알고리즘, 즉 조정 오차(e(t)) 및 그 도함수(de(t)/dt)에 의해 사용된다.
본 발명에 따른 방법들에서, 오차(e(t)) 및 그 변이(Δe(t))가 선행항(antecedent)으로서 사용된다. 이러한 변수들과 제어 신호(10) 사이의 퍼지 결과(implication)는 기존의 문헌으로부터 유도될 수 있다(예를 들어, 논문 “Design and simulation of self-tuning PID-type fuzzy adaptive control for an expert HVAC system” by Servet Soyguder, Mehmet Karakose, Hasan Alli, ELSEVIER, Expert Systems with Applications 36 (2009) 4566-4573 또는 논문 “Self-Tuning Fuzzy PI Controller and its Application to HVAC Systems” by A.K.Pal and R.K.Mudi, INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTATIONAL COGNITION (HTTP://WWW.IJCC.US), VOL.6, NO.1, 2008년 3월, 참조).
물론, 본 발명의 원리에 대한 편견 없이, 실시예 및 구현 상세들의 형태들은 첨부된 청구항에서 제시되는 바와 같이, 비제한적인 예로써, 그러나 본 발명의 보호 범주로부터 벗어남 없이 본원에서 설명되고 그리고 예시되는 것들로부터 광범위하게 변화될 수 있다.

Claims (5)

  1. 건물(56)을 위한 열-유체 설비를 조정하기 위한 전자 디바이스(electronic device)(1)로서,
    혼합 밸브들(52, 52')을 포함하는 가열/냉각 시스템(heating/cooling system)(50, 54; 80, 82, 84, 85)을 포함하며, 상기 혼합 밸브들(52, 52')은 상기 가열/냉각 시스템(50, 54; 80, 82, 84, 85) 내에서 고온/저온 물(water)의 유동들을 제어하도록 적응되며, 상기 디바이스(1)는, 제어 유닛(control unit)(2)을 포함하고, 상기 제어 유닛(2)은,
    건물 관리 시스템(56)으로부터 주 신호(4)를 수신하며;
    상기 건물(56)을 위한 바람직한 매개변수를 나타내는 사전규정된 기준 신호(6)를 수신하고;
    상기 건물(56)에 배치되고, 상기 건물(56)의 환경 매개변수들을 측정하도록 적응되는 환경 센서들(environmental sensors)로부터 환경 신호들(8)을 수신하며, 그리고
    그 개방 또는 폐쇄를 수정하기 위해 각각의 혼합 밸브(52, 52')와 연관된 액추에이터(actuator)를 향하여 제어 신호(10)를 발행하도록(issue) 적응되는,
    건물을 위한 열-유체 설비를 조정하기 위한 전자 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 건물(56)을 위한 상기 열-유체 시스템은 공기 처리 유닛(80)을 더 포함하며, 상기 공기 처리 유닛(80)은 상기 건물(56) 외측으로부터 공기의 진입 또는 상기 건물(56)로부터 상기 공기 처리 유닛(80) 내로의 재순환 공기를 허용하는 게이트들(gates)(88, 92)을 포함하며, 상기 디바이스(1)는 또한, 그 개방 또는 폐쇄를 제어하기 위해 각각의 게이트(88, 92)와 연관된 액추에이터로 제어 신호(10)를 전송하도록 적응되는,
    건물을 위한 열-유체 설비를 조정하기 위한 전자 디바이스.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제어 신호들(10)은 상기 혼합 밸브들(52, 52') 또는 상기 게이트들(88, 92)의 개방 또는 폐쇄의 미리 정해진 백분율(percentage)을 획득하기 위해 상기 주 신호(4)의 수정들(modifications)을 제안하는,
    건물을 위한 열-유체 설비를 조정하기 위한 전자 디바이스.
  4. 건물(56)을 위한 열-유체 설비의 온도를 조정하기 위한 방법으로서,
    주 신호(4)를 운반하는 케이블과 상기 혼합 밸브들(52, 52') 중 하나와 연관된 각각의 액추에이터 사이에서 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 따른 전자 디바이스를 제공하는 단계;
    기준 온도 신호(Trif,6)를 수신하는 단계;
    상기 기준 온도(6)와 상기 건물 내측에서 측정되는 내부 온도(8, Tinterna) 사이의 오차(e(t))를 컴퓨팅하는(computing) 단계;
    상기 오차의 제1 도함수(de(t)/dt)를 컴퓨팅하는 단계;
    상기 혼합 밸브(52, 52')를 향하여 지향되는 상기 제어 신호(10)를 획득하도록, 상기 오차(e(t)) 및 상기 오차의 제1 도함수(de(t)/dt) 신호들과 상기 주 신호(4)를 비교하기 위해 퍼지 알고리즘(fuzzy algorithm)을 적용하는 단계를 포함하는,
    건물을 위한 열-유체 설비의 온도를 조정하기 위한 방법.
  5. 건물(56)을 위한 열-유체 설비의 이산화탄소 레벨을 조정하기 위한 방법으로서,
    주 신호(4)를 운반하는 케이블과 게이트들(88, 92) 중 하나와 연관된 각각의 액추에이터 사이에서 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 사전배열하는 단계;
    기준 이산화탄소 레벨 신호(Crif,6)를 수신하는 단계;
    상기 기준 이산화탄소 레벨(6)과 상기 건물(56) 내측에서 측정되는 내부 이산화탄소 레벨(8, Cinterno) 사이의 상기 오차(e(t))를 컴퓨팅하는 단계;
    상기 오차의 제1 도함수(de(t)/dt)를 컴퓨팅하는 단계;
    상기 게이트들(88, 92)을 향하여 지향되는 상기 제어 신호(10)를 획득하도록, 상기 오차(e(t)) 및 상기 오차의 제1 도함수(de(t)/dt) 신호들과 상기 주 신호(4)를 비교하기 위해 퍼지 알고리즘을 적용하는 단계를 포함하는,
    건물을 위한 열-유체 설비의 이산화탄소 레벨을 조정하기 위한 방법.
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