SK972022A3 - Spôsob a systém na riadenie požadovaných hodnôt účinnosti zdrojov a prijímačov energie v budove alebo areáli na základe aktuálnej celkovej potreby jednotlivých foriem energie - Google Patents

Abstract

Opisuje sa spôsob a systém na riadenie požadovaných hodnôt účinnosti zdrojov a prijímačov energie v budove alebo areáli na základe aktuálnej celkovej potreby jednotlivých foriem energie (elektrina, teplo, chlad, vetranie) prostredníctvom aplikáciu metód riadenia na strane dopytu na interný energetický manažment budovy. Spôsob integruje informácie o všetkých druhoch energie v budove z existujúcich jednotlivých riadiacich systémov prijímačov energie (bodov osvetlenia, radiátorov, fancoilov, prívodov vzduchu) na výpočet hodnôt potreby energie pre jednotlivé zdroje energie (vzduchotechnické jednotky, výmenníky ústredného kúrenia, kotly, chladiace agregáty, zariadenia na obnoviteľné zdroje energie) a zahŕňa redukciu požadovaných hodnôt prijímačov energie pri prekročení aktuálnej kapacity zdroja. Systém realizujúci tento spôsob využíva aspoň jedno koncentrátorové zariadenie umiestnené medzi riadiacimi systémami zdrojov a prijímačov energie na agregovanie údajov o všetkých druhoch energie, ako aj behové prostredie, ktoré môže byť vzdialené, inštalované a prevádzkované v klaudovom prostredí.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka oblasti riadiacich a automatizačných systémov a konkrétne systémov automatizácie a riadenia budov a energetického manažmentu budov a energetickej účinnosti.

Doterajší stav techniky

Doterajší stav techniky týkajúci sa tohto vynálezu spadá primárne do dvoch kategórií: techniky týkajúce sa energetického manažmentu budov a techniky týkajúce sa riadenia energetických tokov na strane dopytu.

Typická spotreba energie obchodnej alebo kancelárskej budovy zahŕňa spotrebu vykurovacích, ventilačných a klimatizačných (HVAC) systémov, osvetlenia a iných technických systémov, ako sú systémy kontroly vstupu a bezpečnostné systémy, automatizácia okien a iné. Energia je do budovy dodávaná jedným alebo viacerými inžinierskymi sieťami vo forme elektriny, pary, vody, iných teplonosných činidiel alebo iných nosičov, prípadne ich kombináciou. Energiu možno dodávať aj miestnou výrobou prostredníctvom obnoviteľných alebo neobnoviteľných prostriedkov.

Riadenie vyššie uvedených systémov sa typicky realizuje pomocou systému riadenia budovy (BMS, tiež označovaného ako systém energetického manažmentu budovy, BEMS alebo systém riadenia úrovninia a kontroly budovy, BMCS a ďalšie súvisiace výrazy, ktoré sú odborníkom v odbore známe.) V typickej konfigurácii je systém riadenia budovy mikroprocesorová, distribuovaná kontrolná sieť inštalovaná na účely monitorovania a riadenia jedného alebo zvyčajne viacerých technických systémov v budove. Uskutočnenia BMS vo všeobecnosti využívajú vrstvenú architektúru, ktorá pozostáva po prvé z vrstvy prevádzkových zariadení obsahujúcej senzory, ventily, ovládače a iné koncové zariadenia na riadenie špecifické pre aplikáciu, po druhé zo systémovej alebo automatizačnej vrstvy obsahujúcej automatizačné ovládače, brány a inú sieťovú infraštruktúru a po tretie, riadiacej vrstvy obsahujúcej servery BMS, pracovné stanice operátorov a programy v nich bežiace, ktoré umožňujú monitorovanie, vizualizáciu a správu akýchkoľvek relevantných prevádzkových parametrov technických systémov riadených pomocou BMS.

Napríklad patent US 5 565 855 uvádza systém riadenia budovy, ktorý zahŕňa rôzne zariadenia pre servisné funkcie budovy spojené s riadiacim systémom na ovládanie a reguláciu zariadení a komunikačnou zbernicou na komunikáciu signálov medzi riadiacim systémom a zariadeniami, pričom systém sa používa na centrálne riadenie viacerých funkcií budovy vrátane osvetlenia, kúrenia, vetrania atď'., pričom komunikačná vrstva sa spolieha na bezdrôtový prenos signálov.

Je známe, že komponenty systému riadenia budovy môžu byť integrované do jedného zariadenia (napr. webový server, dohľadový ovládač, ovládač budovy atď.) alebo distribuované cez viacero samostatných systémov alebo zariadení. V niektorých uskutočneniach môžu byť komponenty systému riadenia budovy implementované ako súčasť platformy cloudovej nakonfigurovanej na príjem a spracovanie údajov z viacerých zariadení s podporou IP. V niektorých uskutočneniach môžu byť komponenty systému riadenia budovy implementované ako súčasť systému automatizácie budovy inštalovaného lokálne v budove. V niektorých uskutočneniach môžu byť niektoré alebo všetky komponenty systému riadenia budovy súčasne komponentmi podsystému alebo zariadenia nižšej vrstvy, ako je napríklad automatizačný regulátor (napr. regulátor HVAC), regulátor zariadenia (napr. regulátor AHU, ovládač chladiča atď.), prevádzkový ovládač, počítačová pracovná stanica, klientske zariadenie alebo akýkoľvek iný systém alebo zariadenie, ktoré prijíma a spracováva údaje zo zariadení budovy.

Ako ďalší príklad US patent 10 962 945 uvádza systém správy budovy nakonfigurovaný na prijímanie, spracovanie a ukladanie údajov z rôznych zdrojov pomocou softvérovo definovanej brány a jednotného rámca objektových a dátových entít, v ktorých sú objektové entity identifikované s fyzickými zariadeniami budov, ako sú senzory, chladiče, kotly, chladiace veže, vzduchotechnické jednotky, strešné jednotky, jednotky s premenlivým objemom vzduchu, osvetľovacie zariadenia, bezpečnostné zariadenia, zariadenia na detekciu požiaru a dátové entity sú identifikované s údajmi generovanými fyzickými zariadeniami budov.

Riadenie na strane dopytu je technika pôvodne koncipovaná a všeobecne používaná na vyrovnávanie ponuky a dopytu po elektrickej energii zo strany energetických spoločností v rozsahu elektrickej siete. Napríklad použitie termínu Ministerstvom energetiky USA v sérii technických správ s názvom „Grid-interactive Efficient Buildings (2019) znamená úpravu dopytu po energii zo strany zákazníkov prostredníctvom stratégií vrátane energetickej účinnosti, reakcie na dopyt, distribuovanej výroby, skladovanie energie, elektrické vozidlá a/alebo cenové štruktúry podľa doby používania, pričom odozvou dopytu sa konkrétne rozumie zmena miery spotreby elektriny v reakcii na cenové signály alebo špecifické požiadavky prevádzkovateľa siete.

Z hľadiska skutočného vykonávania opatrení odozvy na strane spotrebiteľa energie prostredníctvom

SK 97-2022 A3 priameho znižovania zaťaženia sa pozornosť sústredila predovšetkým na efektívne využívanie distribuovanej výroby a skladovania, vrátane nabíjania elektrických vozidiel, na reguláciu a optimalizáciu parametrov elektrickej siete a po druhé, poskytnúť prostriedky na ovplyvňovanie jedného daného elektrického spotrebiča alebo subsystému. Napríklad európsky patent 2 893 605 opisuje zariadenie na vytváranie riadiaceho signálu pre systém riadenia dodávky elektrickej energie na strane dopytu. Ako ďalší príklad patentová prihláška USA 2014/0032001 uvádza riadiaci systém pre elektrické zariadenie, ktoré môže periodicky vypínať alebo znižovať úroveň prevádzkového výkonu na základe signálu špičkového dopytu.

Vyššie uvedené technické správy Ministerstva energetiky USA zdôrazňujú význam uplatňovania akýchkoľvek opatrení na úsporu energie alebo optimalizačných opatrení nie na úrovni jedného zariadenia alebo dokonca podsystému, ale na úrovni budovy, pretože budovy predstavujú prirodzené zoskupenie rôznych zdrojových a výrobných zariadení. Z doterajšieho stavu techniky sú známe niektoré formy aplikácie techník riadenia na strane dopytu na riadenie budovy. Napríklad patent US 9 383 737 uvádza systém riadenia budovy, v ktorom sa minimálne uskutočniteľné energetické zaťaženie určuje na základe konkrétneho výpočtu vykonaného na údajoch o spotrebe energie a porovnáva sa so skutočným prevádzkovým energetickým zaťažením. Rovnaký systém riadenia sa však obmedzuje na generovanie a odosielanie upozornení, keď sa spozoruje nezvyčajný dopyt po energii, namiesto vykonávania akejkoľvek odozvy na dopyt vo forme kontrolných činností, ktorých výsledkom je zníženie spotreby energie.

Ako ďalší príklad sa v patente USA č. 10 901 446 uvádza správa budovy, ktorú nazýva „správca inteligentnej budovy“, ktorý okrem iného obsahuje vrstvu odozvy na dopyt. Ten istý manažér sa však obmedzuje na vykonávanie odozvy na dopyt na základe informácií o cene používania z inteligentnej energetickej siete a pomocou zariadení na ukladanie energie, ako sú batérie, na presun záťaže zo špičky do špičky.

Ako posledný príklad, US patent 10,768,015 uvádza spôsob a zariadenie na riadenie vzduchotechnickej jednotky podľa, okrem iného, digitálnych údajov o elektrickej energii v budove alebo zariadení a údajov týkajúcich sa siete, ktoré môžu zahŕňať požiadavky na zníženie spotreby energie, pričom aspekt riadenia môže zahŕňať priame poskytovanie riadiaceho signálu do vzduchotechnického systému na základe rovnakých údajov a iných vstupov.

Ako ukazujú doteraz uvádzané artefakty doterajšieho stavu techniky, hoci je známych veľa dôležitých aplikácií v oblasti energetického manažmentu budov, ako aj techník riadenia na strane dopytu, práca na priesečníku dvoch oblastí, ktorá bola zverejnená v doterajšom stave techniky, je čiastočná a selektívna, a primárne zamerané na manuálnu alebo automatickú odozvu na signalizáciu (priame alebo nepriame prostredníctvom cenotvorby alebo stimulov) prevádzkovateľa siete, a preto zaostáva za potenciálnymi energetickými a ekonomickými úsporami a inými požadovanými výsledkami pre prevádzku budovy, ktoré je možné dosiahnuť. Okrem toho sa známe prístupy k dynamickému zdroju energie a riadeniu záťaže v budove typicky zameriavajú na konkrétny technický subsystém, ako je vzduchotechnika.

Vzniká potreba vylepšeného spôsobu a systému komplexného energetického manažmentu budov, ktorý plne realizuje výhody aplikácie riešení dopytového manažmentu vo vzťahu ku všetkým typom energie a na úrovni jednotlivých miestností z hľadiska cieľových prevádzkových parametrov. Predovšetkým je potrebná jednotná platforma na implementáciu mnohých a rôznych techník riadenia na strane dopytu v závislosti od dostupnosti a stupňa automatizácie a ovládateľnosti technických systémov v danej budove, ktorá umožní navrhovanie a prispôsobenie riadiacich algoritmov, ktoré maximalizovať energetickú účinnosť pre túto konkrétnu budovu.

Podstata vynálezu

Koncepčne vynález pozostáva z aplikácie techník riadenia na strane dopytu (DSM) v rámci systému automatizácie a riadenia jednej budovy pretože sa týka rôznych typov energie, ktoré zahŕňajú toky elektrickej, tepelnej a mechanickej energie spojené s prevádzkou elektrických (ako je osvetlenie), vykurovacích, chladiacich, ventilačných a klimatizačných systémov a iných technických systémov za účelom optimalizácie a zníženia celkovej spotreby energie. Dosahuje sa to spoluprácou, koordináciou a výstupným riadením množstva zdrojov energie v budove prostredníctvom integrácie kombinácie hardvérových komponentov a softvérových komponentov, ktoré spolu tvoria systém riadenia na strane dopytu (ďalej len „systém DSM“ ).

Na rozdiel od tradičného chápania riadenia na strane dopytu a odozvy na dopyt, ako je opísané v časti o doterajšom stave techniky, tento vynález využíva logiku riadenia na strane dopytu interne v rámci množstva technických systémov budovy s miestnymi zdrojmi (zahŕňajúcimi ako prípojky verejných služieb, tak aj miestna výroba), pričom zohrávajú úlohu „služby“, ktorá poskytuje signál odozvy dopytu, napr. v prípade záťaže presahujúcej dostupnú kapacitu a množstva prijímačov energie preberajúcich úlohu „spotrebiteľa“.

SK 97-2022 A3

Na úrovni budovy pojem zdroje energie zahŕňa elektrické rozvodné dosky, rozvodne diaľkového vykurovania, agregáty chladičov, vzduchotechnické a klimatizačné jednotky a akékoľvek miestne výrobné systémy, ako sú kotly alebo systémy obnoviteľnej energie, napr. fotovoltické alebo solárne tepelné panely, tepelné čerpadlá, jednotky na kombinovanú výrobu tepla a elektriny a iné, ktoré môžu ľahko oceniť odborníci v odbore.

Aplikácia riadenia na strane dopytu v rozsahu jednej budovy pozostáva z dvoch krokov. V prvom kroku sa identifikuje potreba energie podľa druhu energie na úrovni jednotlivých miestností, vypočíta sa celková potreba energie pre každý druh energie na úrovni budovy a riadi sa výkon zdroja energie, ako aj distribučný systém na základe tento celkový dopyt bez potreby ľudského zásahu. V druhom kroku, keď vzniká potreba znižovania dopytu po energii, sa spotreba znižuje stanovením priorít a riadeným odstavením spotrebiteľov energie v spolupráci s koncovým užívateľom.

V jednom uskutočnení je vynález realizovaný v distribuovanej kolekcii senzorov, ovládačov a pomocných elektronických zariadení, ktoré sú bezproblémovo integrované s technickými systémami budovy a akýmkoľvek už existujúcim BMS prostredníctvom bezdrôtových sietí. Okrem toho v tomto uskutočnení môže byť implementácia základných algoritmov DSM a funkcií orientovaných na používateľa vzdialená a založená na cloude. Podrobnosti tohto a ďalších uskutočnení vynálezu sú opísané ďalej v časti týkajúcej sa príkladov uskutočnenia vynálezu.

Predložený vynález má niekoľko výhodných účinkov v porovnaní s riešeniami známymi v doterajšom stave techniky. V porovnaní s typickými systémami riadenia budov, ktoré nevyužívajú techniky riadenia na strane dopytu na optimalizáciu spotreby energie, vynález spôsobuje zníženie celkovej spotreby energie, a tým aj zlepšenia vo forme peňažných úspor, zvýšenej odolnosti a menšieho negatívneho vplyvu na životné prostredie. Vo vzťahu k verejným službám, výhodný účinok ďalej zahŕňa zníženie kapacitných obmedzení znížením dopytu po energii počas špičiek.

S ohľadom na použitie riadenia na strane dopytu, ktoré sa nachádza v doterajšom stave techniky na riadenie elektrických sietí a distribuovanú výrobu energie, vynález rozširuje rozsah a umožňuje väčšie úspory rozšírením zohľadnenia viacerých druhov energie, vrátane tepelnej energie pre vykurovacie, chladiace, a ventilačné a klimatizačné systémy.

Uskutočnenie, v ktorom je vynález realizovaný prostredníctvom cloudového riadiaceho systému integrovaného bezdrôtovo s riadiacimi a automatizačnými systémami v budove, odhaľuje ďalšie výhody, konkrétne to, že na rozdiel od uzavretých systémov BMS, ktoré sa vyskytujú v doterajšom stave techniky, vynález umožňuje veľkú mieru flexibilitu počas implementácie aj prevádzky. Vo fáze implementácie si systém vyžaduje malý zásah do už existujúcich technických inštalácií a je nezávislý od akýchkoľvek konkrétnych protokolov BMS alebo proprietárnych riadiacich riešení zabudovaných do konkrétnych komponentov systému. Vo fáze prevádzky systém umožňuje vzdialené prezeranie, dohľad a modifikáciu základných cloudových algoritmov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Predložený vynález je podrobne opísaný nižšie s odkazom na pripojené obrázky.

Obr. 1 obsahuje konfiguračný diagram, ktorý ilustruje architektúru systému na vysokej úrovni, keď' sa delí na vrstvy.

Obr. 2 obsahuje konfiguračný diagram, ktorý ilustruje základné komponenty prvej vrstvy systému, ktorá zahŕňa prevádzkové zariadenia, zdroje energie, automatizačné systémy a systém riadenia budovy.

Obr. 3 obsahuje konfiguračnú schému, ktorá ilustruje podstatné komponenty druhej vrstvy systému, ktorá zahŕňa koncentrátory DSM a ich základné časti.

Obr. 4 obsahuje konfiguračnú schému, ktorá ilustruje podstatné komponenty tretej vrstvy systému, ktorá obsahuje behové prostredie DSM vykonávajúce jeden alebo viac algoritmov DSM.

Obr. 5 obsahuje sieťovú schému, ktorá znázorňuje príkladné uskutočnenie systému, ako je implementovaný v segmente systému automatizácie budovy, a funkciu koncentrátom DSM.

Obr. 6 obsahuje sieťovú schému, ktorá znázorňuje príkladné uskutočnenie systému, je implementovaný v segmente systému automatizácie budovy z perspektívy reprezentácie toho istého systému v behovém prostredím DSM.

SK 97-2022 A3

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vo výhodnom uskutočnení je systém implementovaný v trojvrstvovom systéme znázornenom na obr. 1. Kompletný systém 200 obsahuje vrstvu automatizácie budovy 203. vrstvu koncentrácie 202 a vrstvu behového prostredia DSM 201.

S odkazom na obr. 2, prvá vrstva 500 obsahuje prevádzkové zariadenia, zdroje energie, automatizačné ovládače, užívateľské rozhrania a akýkoľvek zastrešujúci systém riadenia budovy. Najmä prvá vrstva obsahuje všetky komponenty štandardnej inštalácie BMS v budove, ktoré môžu byť ľahko ocenené odborníkmi v odbore.

Konkrétne: 1. budova obsahuje množstvo prevádzkových zariadení v technických systémoch 501, ktoré obsahujú rôzne senzory 507, ktoré merajú podmienky budovy, komunikačné ovládače klimatizácie 502, ventilácie 505, vykurovania 508, osvetlenia 503, monitorovania obsadenosti 509, riadenia prístupu 506, atď. a hardvér a/alebo softvér poskytujúci rozhrania človek-stroj 504 pre používateľov miestnosti na realizáciu vedomej účasti tých istých používateľov na prioritizácii prijímačov energie; 2. budova obsahuje jeden alebo viac regulovateľných zdrojov energie 511, vrátane zdrojov vykurovania a/alebo chladenia, inherentne vybavených alebo dodatočne vybavených komunikačným rozhraním, obsahujúcim jedno alebo viac prípojok 512 cez rozvodné dosky 514, rozvodne diaľkového vykurovania 515 a iné 516, a/alebo jeden alebo viac miestnych zdrojov v budove, vrátane vzduchotechnických jednotiek 517, kotlov 518, agregátov chladičov 519, systémov kombinovanej výroby tepla a elektriny (kogenerácia) 522 a/alebo obnoviteľných zdrojov vrátane fotovoltických systémov 520, solárnych tepelných kolektorov 521 a iné 523 3. budova môže byť vybavená zastrešujúcim systémom riadenia budovy 524, ktorý umožňuje komplexné monitorovanie celej siete automatizácie budovy a systému DSM, individuálnu alebo kolektívnu manipuláciu s akýmikoľvek nastavenými hodnotami a vykonávanie analýz na základe historických údajov.

Vo výhodnom uskutočnení sú niektoré alebo všetky z množstva zariadení a podsystémov, ktoré obsahujú prvú vrstvu, nainštalované a už fungujú v budove, keď je tento vynález implementovaný. Úlohou druhej vrstvy, opísanej v nasledujúcom texte, je integrovať ich s funkcionalitou systému DSM.

S odkazom na obr. 3, druhá vrstva 400 systému DSM, ktorá je poslednou vrstvou nevyhnutne umiestnenou v budove, obsahuje jeden 401 alebo viac 402 koncentrátorov DSM. Koncentrátory komunikujú s ostatnými zariadeniami v rámci budovy, poskytujú ich konfiguráciu, umožňujú ich monitorovanie, umožňujú realizáciu logických spojení medzi zariadeniami, umožňujú agregáciu dát potrebných na vykonávanie funkcií DSM a umožňujú komunikáciu s treťou vrstvou systému DSM, behovém prostredím DSM. Koncentrátor DSM obsahuje informácie 403 o konfigurácii a prevádzkovom stave všetkých zariadení zahrnutých v automatizačnom systéme. V jednom uskutočnení koncentrátor umožňuje konfiguráciu a správu automatizačného systému danej budovy prostredníctvom webového rozhrania 406. V niektorých uskutočneniach môže mať koncentrátor aj jedno 407 alebo viac miestnych komunikačných rozhraní 408-409, ktoré implementujú komunikačné protokoly na integráciu s množstvom prevádzkových zariadení tretích strán (napr. Modbus RTU, Modbus TCP, atď.) V niektorých uskutočneniach koncentrátor implementuje logické spojenia 404 medzi dátovými bodmi zodpovedajúcimi jednému alebo viacerým zariadeniam a agregačnými funkciami 405 (pozri nižšie).

V jednom uskutočnení je koncentrátor DSM elektronické zariadenie obsahujúce systém napájania, centrálnu jednotku, ktorou môže byť obvod System-on-Module (SOM), ktorý obsahuje procesor, pamäť RAM, trvalú pamäť (ktorou môže byť zásuvka SD karty a pripojená SD karta) a množstvo komunikačných rozhraní pre káblovú a bezdrôtovú komunikáciu, výhodne vrátane rozhrania a antény WiFi, ethernetového rozhrania, rozhrania USB a sériového rozhrania RS-485. Koncentrátor DSM môže byť nakonfigurovaný, naprogramovaný alebo udržiavaný pripojením k nemu pomocou jedného z komunikačných rozhraní z druhého zariadenia, ako je počítačová pracovná stanica. V niektorých uskutočneniach koncentrátor DSM ďalej obsahuje panel používateľského rozhrania, ktorý môže obsahovať grafický displej, otočný kódovač, množstvo tlačidiel a množstvo LED, a ktorý môže umožňovať vykonávanie niektorých operácií potrebných na konfiguráciu, programovanie alebo údržbu koncentrátora bez potreby pripojenia z iného zariadenia.

V jednom uskutočnení koncentrátor DSM spravuje konfiguráciu zariadení prvej vrstvy (t. j. komponentov automatizačného systému), ktoré mu podliehajú, čo znamená, že koncentrátor vytvára, upravuje a uchováva v trvalej pamäti konfiguráciu všetkých spolupracujúcich zariadení a ich údaje, a že koncentrátor vytvára, aktualizuje a sprístupňuje informácie o stave tých istých zariadení a ich dátach v volatilnej pamäti. Konfigurácia a údaje môžu zahŕňať nasledujúce úrovne: a. úroveň zariadenia vrátane konfigurácie adresy, stavu zariadenia, stavu konfigurácie, aktuálnych štatistík komunikácie; b. aplikačná úroveň zariadenia vrátane typu zariadenia, profilu zariadenia (súbor funkčných blokov tvoriacich jeho program), c. funkčné bloky zariadení a ich vlastnosti (parametre), d. úroveň dátového bodu. Okrem toho má koncentrátor DSM za úlohu

SK 97-2022 A3 prenášať údaje cez nakonfigurované pripojenia medzi údajovými bodmi. Koncentrátor číta hodnoty údajových bodov zo zdrojových koncových bodov a zapisuje rovnaké hodnoty do údajových bodov v cieľových koncových bodoch nakonfigurovaných pripojení. Uvedené spojenia sú tiež charakterizované konfiguráciou spojenia a stavom spojenia.

Vo výhodnom uskutočnení je množstvo konfiguračných parametrov koncentrátom DSM uložených v databáze vhodnej štruktúry, ktorá umožňuje najväčší rozsah jeho aplikácií. Konfiguračné parametre môže v závislosti od ich druhu nastaviť a. import konfiguračného súboru (môže to byť súbor CSV alebo XML alebo súbor iného výhodného formátu), b. užívateľ vykonávajúci akcie sprístupnené webovým rozhraním koncentrátom DSM, c. užívateľ vykonávajúci akcie sprístupnené lokálnym rozhraním koncentrátom DSM, ak je dané rozhranie poskytnuté, d. iné formy prístupu k databáze koncentrátom DSM, napr. požiadavky a inštrukcie odoslané do koncentrátom DSM pomocou vhodného komunikačného protokolu, ktoré boli naprogramované tak, aby ich interpretoval procesor koncentrátora DSM.

Teraz s odkazom na obr. 4, tretia vrstva 300 systému DSM je behové prostredie DSM 301, cloudové spúšťacie prostredie, ktoré vykonáva implementované algoritmy DSM 302. Behové prostredie umožňuje implementáciu akéhokoľvek algoritmu reprezentovaného ako funkčný blok so vstupmi a výstupmi ktoré sú v rámci vývojového prostredia algoritmov DSM prepojené s ďalšími funkčnými blokmi reprezentujúcimi dáta a inštrukcie z nižších vrstiev systému DSM, t. j. funkčnými blokmi reprezentujúcimi prevádzkové zariadenia, rozhrania HMI, zdroje energie, koncentrátory DSM. V niektorých uskutočneniach môže behové prostredie dodatočne vykonávať jeden alebo viac dodatočných užívateľom definovaných algoritmov 303.

Okrem vykonávania algoritmov DSM poskytuje systém DSM pokročilé prostriedky komunikácie medzi prevádzkovými zariadeniami, koncentrátormi DSM a algoritmami DSM. Efektívnu komunikáciu umožňujú aplikácie (alebo v jednoduchých prípadoch jednotlivé funkcie) agregujúce dáta automatizačného systému v rámci koncentrátorov, čo slúži na obmedzenie prenosu potrebného z budovy do softvéru DSM bežiaceho v cloude. Prenos opačným smerom, t. j. z cloudového softvéru DSM do budovy, obsahuje pokyny na riadenie zdrojov energie a pokyny na obmedzenie spotreby energie (pokyny na riadenie na strane dopytu).

Ako ďalšie znázornenie, obr. 5 znázorňuje vrstvy 1 a 2 systému v možnom uskutočnení. V ňom sa množstvo prevádzkových zariadení (označených obdĺžnikmi s ostrými rohmi), ktorými môžu byť automatizačné ovládače pre konkrétne technické podsystémy, a rozhrania človek-stroj (označené zdvojenými obdĺžnikmi) pripája ku koncentrátom DSM 123. Spojenie môže byť bezdrôtové a priame ako pre zariadenie 124 a HMI 122 alebo pomocou sietí mesh ako pre zariadenie 128 a HMI 125. Spojenie môže byť vedené cez Ethernet ako pre zariadenie 133 alebo iné porty ako pre zariadenia 132, 139 a môže zahŕňať prechodnú bránu 140. ako pre zariadenia 137, 138. Koncentrátor a/alebo prevádzkové zariadenia môžu byť dodatočne pripojené k lokálnemu alebo vzdialenému systému, ktorý hostí zastrešujúci BMS 141.

Pokračovaním na obr. 5 sú riadiace programy implementované v konkrétnych zariadeniach, ako je vidno z vrstvy behového prostredia DSM, tiež reprezentované ako funkčné bloky (označené obdĺžnikmi so zaoblenými rohmi). Každé zariadenie môže byť reprezentované jedným (napr. 136) alebo viacerými (126, 130 alebo 127, 131) programami (funkčnými blokmi). Tieto programy (funkčné bloky) môžu mať nula 126 alebo viac vstupov 119 a výstupov 116. Počet vstupov môže (napr. 121) alebo nemusí (napr. 129) zodpovedať počtu výstupov. V závislosti od konkrétnych komunikačných protokolov môže byť lokálne prepojenie medzi vstupmi a výstupmi programov riadiacich každé zariadenie (ako medzi funkčnými blokmi 134 a 135). Úlohou programu 118 koncentrátom DSM v spojení s databázou zariadení 142 je umožniť prepojenie vstupov a výstupov ľubovoľných funkčných blokov v rámci systému, nezávisle od základnej infraštruktúry, rovnaké prepojenia označené krátkymi odchádzajúcimi šípkami 117 pre výstupy a vstupnými šípkami 120 pre vstupy pre vizuálnu jasnosť.

Logická perspektíva segmentu predchádzajúceho vzorového uskutočnenia je poskytnutá na obr. 6. Tu cloudové behové prostredie DSM 100 obsahuje vo svojej pamäti reprezentácie programov, vrátane programu 109 pracujúceho v koncentrátore DSM 108, programu 110 pracujúceho v príkladnom HMI 110, programov pracujúcich v prevádzkových zariadeniach (ktorý môžu byť jeden, ako v prípade programu 107 zariadenia 104. alebo viacero, ako v prípade programov 105, 106 zariadenia 103). Okrem toho behové prostredie DSM obsahuje reprezentáciu programov zodpovedajúcich jednému 112 alebo viacerým 114 algoritmom DSM, ktoré sú zodpovedné za vykonávanie základnej funkčnosti systému DSM. Tieto programy sú tiež reprezentované funkčnými blokmi 113, 115. Funkcionalita DSM sa vykonáva príslušným výpočtom výstupov zo vstupov prichádzajúcich z nižších vrstiev prostredníctvom využitia väzieb medzi funkčnými blokmi, ktoré môžu byť vykonávané logicky v behovom prostredí medzi dvoma alebo viacerými blokmi algoritmu DSM 101 alebo medzi blokmi zariadení a blokmi algoritmu 143. Beh tiež využíva prepojenia medzi dvoma alebo viacerými blokmi zariadení 102, ktoré sa vykonávajú na nižšej úrovni systému (t. j. priamo medzi zariadeniami alebo vhodnou konfiguráciou koncentrátom DSM.)

SK 97-2022 A3

Ako je uvedené vyššie, účelom behového prostredia DSM je implementovať a vykonávať jeden alebo viacero algoritmov riadenia na strane dopytu v technických subsystémoch budovy na vykonávanie funkcií odozvy na dopyt. V nasledujúcom opise príkladov uskutočnení a v súlade s pojmami, ktoré sú ľahko známe každému odborníkovi v odbore, sa komfortný režim bude týkať množstva nastavení konfigurácie, vrátane nastavených hodnôt teploty, vlhkosti, kvality vzduchu atď., ktoré sa používajú pri riadení vzduchotechniky a iných technických systémov počas normálnej obsadenosti a využívania miestností na udržanie bezpečnosti a pohodlia obyvateľov budovy a ekonomický režim sa bude týkať množstva nastavení konfigurácie vrátane nastavených hodnôt, ktoré sa používajú pri riadení vzduchotechniky a iných technických systémov, ktoré predstavujú nižšiu energetickú náročnosť ako komfortný režim a ktoré sa používajú mimo obdobia normálnej obsadenosti a využívania miestností. V typickom BMS sú komfortné a ekonomické režimy aplikované na miestnosti alebo zóny alebo budovy na základe jedného alebo viacerých plánov, ktoré môžu nakonfigurovať oprávnení používatelia, ako sú správcovia budov.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať vypnutie prijímačov energie pred plánovaným koncom prevádzky komfortného režimu bez ohľadu na stav obsadenosti dotknutej miestnosti za predpokladu, že čas preventívneho vypnutia je dostatočne krátky na to, aby vyhnúť sa citeľnému zníženiu pohodlia obyvateľov miestnosti. Čas prípravy tohto preventívneho vypnutia môže závisieť od teplotného rozdielu medzi_nastavenou hodnotou komfortného režimu v miestnosti a vonkajšou teplotou, takže väčší rozdiel spôsobí kratší čas predbežného vypnutia.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať vypnutie prijímačov energie pred plánovaným koncom prevádzky komfortného režimu, keď sa zistí, že miestnosť nie je obsadená. Keď sa počas tohto preventívneho vypnutia zistí obnovená obsadenosť, obnoví sa komfortný režim. Čas trvania tohto preventívneho vypnutia môže byť dlhší ako čas trvania algoritmu bezpodmienečného preventívneho vypnutia opísaného v predchádzajúcom odseku a môže závisieť od teplotného rozdielu medzí nastavenou hodnotou komfortného režimu miestnosti a vonkajším teploty, takže väčší rozdiel spôsobí kratší čas na predbežné vypnutie.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať vypnutie prijímačov energie po určenom čase po naplánovanom spustení prevádzky komfortného režimu, keď sa určí, že miestnosť nie je obsadená. Keď sa zistí obsadenosť počas obdobia takéhoto preventívneho vypnutia, obnoví sa komfortný režim. Časový interval medziplánovaným začiatkom prevádzky komfortného režimu a preventívnym vypnutím môže závisieť od teplotného rozdielu medzi nastavenou hodnotou komfortného režimu v miestnosti a vonkajšou teplotou, takže väčší rozdiel spôsobí kratší čas na preventívne vypnutie. Ak sa komfortný režim obnoví z dôvodu zistenia obsadenosti miestnosti, prevádzka komfortného režimu sa následne udržiava až do plánovaného času ukončenia, pokiaľ nie je zavedený algoritmus preventívneho vypnutia založený na obsadenosti alebo algoritmus bezpodmienečného preventívneho vypnutia, ako sú tie, ktoré sú opísané v predchádzajúcich odsekoch sú zamestnaní. Časový interval medzi plánovaným spustením prevádzky komfortného režimu a preventívnym vypnutím sa volí na základe simulácií, aby sa minimalizovala akákoľvek strata komfortu súvisiaca s časom potrebným na návrat do podmienok komfortného režimu. Tento algoritmus je obzvlášť dôležitý pre prípady nepredvídateľných, náhodne sa vyskytujúcich voľných miestností.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať vypnutie zdrojov energie (vykurovania alebo chladenia), keď sa zistí, že požiadavka na vykurovanie alebo chladenie je nižšia ako celkový minimálny riadiaci výkon (otvorenie ventilu) prijímačov počas prevádzky v ekonomickom režime, takže ako skrátiť čas nehospodárnej prevádzky zdroja energie.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať zníženie prevádzkovej účinnosti vzduchotechnickej jednotky v prípade znížených parametrov CO2 (pod minimálnou úrovňou) a/alebo žiadnej obsadenosti miestnosti.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať vypnutie vzduchotechnickej jednotky v prípade znížených parametrov CO2 (pod minimálnou úrovňou) a žiadnej obsadenosti miestnosti.

Dva vyššie uvedené algoritmy sú obzvlášť dôležité pre prípady nepredvídateľných, náhodne sa vyskytujúcich voľných miestností alebo úrovní využitia, ktoré nedosahujú očakávania.

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať modifikáciu riadenia vykurovania alebo chladenia spôsobom závislým od geografickej situácie budovy. Počas vykurovacej sezóny vyžadujú vykurovacie zariadenia na severnej strane vyššie prevádzkové parametre ako vykurovacie zariadenia na južnej strane. Naopak, počas letnej sezóny si chladiace zariadenia na južnej strane vyžadujú vyššie prevádzkové parametre ako chladiace zariadenia na severnej strane. Tento algoritmus môže použiť vhodné korekcie na konfiguráciu systému koncového používateľa (plány atď.), aby sa zohľadnila geografická situácia konkrétnych miestností pod správou.

SK 97-2022 A3

V niektorých uskutočneniach môže jeden algoritmus riadenia na strane dopytu zahŕňať odstupňovanie času zapnutia viacerých prijímačov energie pri zachovaní konštantných parametrov zdroja energie pri prepínaní z ekonomického režimu do prevádzky komfortného režimu. Prepínanie parametrov mnohých prijímačov energie súčasne vedie k skokovému zvýšeniu dopytu, a teda skokovému zvýšeniu záťaže obsluhovanej daným zdrojom energie. Veľké skokové nárasty tohto druhu sú energeticky neefektívne. Podľa tohto algoritmu môžu byť prijímače energie zoradené podľa priority tak, že prijímače s vysokou prioritou sú zapnuté ako prvé a prijímače s nízkou prioritou sú zapnuté po vopred definovanom časovom oneskorení. Týmto spôsobom možno súčasne optimalizovať skokové zvýšenie zaťaženia zdroja energie a oneskorenie pri dosiahnutí prevádzky v komfortnom režime.

Je potrebné poznamenať, že vynález a jeho uskutočnenie opísané v tomto dokumente je také, že využitie vyššie uvedených algoritmov nevyžaduje žiadne zásahy do parametrov riadenia budovy nastavených koncovým užívateľom, ako sú nastavené hodnoty teploty alebo harmonogramy, čo umožňuje úsporu energie s minimálnou administratívnou záťažou a bez straty užívateľského komfortu.

Rôzne uskutočnenia tejto prihlášky boli opísané vyššie a predchádzajúci opis je ilustračný, neobmedzujúci a nie je obmedzený na opísané uskutočnenia. Odborníkom v odbore budú zrejmé početné modifikácie a zmeny bez odchýlenia sa od rozsahu vynálezu. Voľba pojmov použitých v tomto dokumente je určená na to, aby čo najlepšie vysvetlila princípy, praktické aplikácie alebo technické vylepšenia v rôznych uskutočneniach vynálezu, alebo aby umožnila odborníkom v danej oblasti techniky pochopiť tu opísané uskutočnenia.

Priemyselná využiteľnosť

Použiteľnosť tohto vynálezu v priemysle automatizácie a správy budov je ľahko zrejmá každému, kto má bežné znalosti v odbore.

Implementácia vynálezu umožňuje systému automatizácie budovy automaticky zisťovať a reagovať na dopyt po energii a riadiť dodávku energie podľa dopytu pri súčasnom obmedzovaní výdaja energie pri zdroji, čo je kľúčový aspekt pri celkovom zlepšení energetickej účinnosti budovy v servise.

Systém bol koncipovaný tak, aby umožnil jeho rôznym uskutočneniam ľahkú integráciu a spoluprácu s technickými systémami a komponentmi BMS poskytovanými rôznymi výrobcami a dodávateľmi, využívajúc rôzne otvorené a proprietárne komunikačné technológie a protokoly, čo zaisťuje použiteľnosť vynálezu do mnohých existujúcich inštalácií BMS.

Podľa publikácií Európskej komisie tvoria budovy 40 % spotrebovanej energie a 36 % priamych a nepriamych emisií skleníkových plynov v EÚ súvisiacich s energiou, zatiaľ čo vykurovanie, chladenie a teplá úžitková voda predstavujú 80 % energie, ktorú domácnosti tvoria konzumovať. Je pozoruhodné, že pri revízii európskej smernice o energetickej hospodárnosti budov (EPBD) Európskej únie v roku 2018 sa výrazne zdôraznil potenciál inteligentných technológií v sektore budov. Predložený vynález predstavuje jasné zlepšenie v oblasti aplikácie inteligentného, algoritmického riadenia na zníženie spotreby energie budovy a dopadov na životné prostredie.

SK 97-2022 A3

Zoznam vzťahových značiek

100 - behové prostredie DSM (logická perspektíva)

101 - prepojenie medzi dvoma funkčnými blokmi algoritmu DSM

102 - prepojenie medzi dvoma funkčnými blokmi zariadení

103 - príkladné prevádzkové zariadenie

104 - príkladné prevádzkové zariadenie

105 - jeden z viacerých programov spustených v prevádzkovom zariadení

106 - jeden z viacerých programov spustených v prevádzkovom zariadení

107 - jeden program spustený v prevádzkovom zariadení

108 - koncentrátor DSM

109 - program spustený v koncentrátore DSM

110 - príkladné rozhranie človek-stroj

111 - program spustený v príkladnom rozhraní človek-stroj

112 - algoritmus DSM

113 - reprezentácia algoritmu DSM ako funkčného bloku

114 - ďalší algoritmus DSM

115 - reprezentácia ďalšieho DSM algoritmu ako funkčného bloku

116 - reprezentácia zariadenia ako funkčného bloku s viacerými výstupmi

117 - výstupy funkčného bloku

118 - program (funkčný blok) koncentrátom DSM

119 - reprezentácia zariadenia ako funkčného bloku so vstupom

120 - vstupy funkčného bloku

121 - príklad reprezentácie ako funkčného bloku s rovnakým počtom vstupov a výstupov

122 - rozhranie človek-stroj pripojené bezdrôtovo a priamo

123 - koncentrátor DSM

124 - prevádzkové zariadenie pripojené bezdrôtovo a priamo

125 - rozhranie človek-stroj pripojené bezdrôtovo cez sieť mesh

126 - jeden z viacerých funkčných blokov reprezentujúcich programy v zariadení, bez vstupov a výstupov

127 - jeden z viacerých funkčných blokov reprezentujúcich programy v zariadení, so vstupmi

128 - prevádzkové zariadenie pripojené bezdrôtovo cez sieť mesh

129 - príklad reprezentácie ako funkčného bloku s nerovnakým počtom vstupov a výstupov

130 - jeden z viacerých funkčných blokov reprezentujúcich programy v zariadení, so vstupmi a jedným výstupom

131 - jeden z viacerých funkčných blokov reprezentujúcich programy v zariadení, so jedným vstupom a výstupmi

132 - prevádzkové zariadenie pripojené cez RS-485

133 - prevádzkové zariadenie pripojené cez Ethernet

134 - funkčný blok predstavujúci zariadenie s lokálnym prepojením na iné zariadenie

135 - funkčný blok predstavujúci zariadenie s lokálnym prepojením na iné zariadenie

136 - singulárny funkčný blok predstavujúci prevádzkové zariadenie

137 - prevádzkové zariadenie pripojené s lokálnym prepojením na iné zariadenie

138 - prevádzkové zariadenie pripojené s lokálnym prepojením na iné zariadenie

139 - prevádzkové zariadenie pripojené cez Ethernet reprezentované singulárnym funkčným blokom

140 - prepojenie cez bránu

141 - zastrešujúci BMS

142 - databáza zariadení v pamäti koncentrátom

143 - prepojenie medzi funkčným blokom algoritmu DSM a funkčným blokom zariadenia

200 - schéma systému

201 - vrstva behového prostredia

202 - vrstva koncentrácie

203 - vrstva automatizácie budovy,

300 - schéma behového prostredia

301 - behové prostredie

302 - vstavané algoritmy DSM

303 - užívateľom definované algoritmy

400 - schéma vrstvy koncentrácie

SK 97-2022 A3

401 - schéma koncentrátom

402 - prídavné koncentrátory

403 - pamäťový modul

404 - modul logických spojení

405 - agregačný modul

406 - webové rozhranie

407 - komunikačné rozhranie k behovému prostrediu

408 - komunikačné rozhranie k ovládačom

409 - komunikačné rozhranie k ovládačom

500 - schéma vrstvy automatizácie budov

501 - technické systémy s prijímačmi energie

502 - fancoilové jednotky (klimatizačný systém)

503 - osvetľovacie body (osvetľovací systém)

504 - rozhrania človek-stroj

505 - prívody vzduchu (vetrací systém)

506 - zariadenia na kontrolu prístupu (systém kontroly prístupu)

507 - senzory

508 - radiátory (vykurovací systém)

509 - zariadenia na monitorovanie obsadenosti

510 - potenciálne ďalšie koncové zariadenia

511 - zdroje energie

512 - inžinierske siete

513 - lokálne zdroje

514 - elektrické rozvodné dosky

515 - výmenníky ústredného kúrenia

516 - potenciálne ďalšie inžinierske siete

517 - vzduchotechnické jednotky

518 - kotly

519 - chladiace agregáty

520 - fotovoltické systémy

521 - solárne tepelné kolektory

522 - kogenerácia

523 - potenciálne ďalšie lokálne zdroje energie

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob implementácie riadenia požadovaných hodnôt účinnosti zdrojov a prijímačov energie v budove alebo areáli na základe aktuálnej celkovej potreby jednotlivých foriem energie, vyznačujúci sa tým, že obsahuje tieto kroky: a. zber spotreby energie na základe aktuálnych nastavení riadiaceho systému pre všetky prijímače energie - osvetľovacie body (503), radiátory (508), fancoilové jednotky (502), prívody vzduchu (505), jednotlivo z každého prijímača; b. sčítanie nazbieraného odberu a výpočet celkového dopytu po jednotlivých formách energie pre skupiny prijímačov, pričom tento postup integruje informácie o všetkých druhoch energie v budove a údaje o potrebe sa preberajú z existujúcich jednotlivých riadiacich systémov prijímačov; c. výpočet hodnôt potreby energie pre jednotlivé zdroje energie - vzduchotechnické jednotky (517), výmenníky ústredného kúrenia (515), kotly (518), chladiace agregáty (519), zariadenia na obnoviteľné zdroje energie (520-522); d. nastavenie požadovaných hodnôt zdrojov energie vhodných pre jednotlivé skupiny prijímačov na základe vypočítaných potrieb; e. pri prekročení aktuálnej kapacity zdroja výpočet hodnôt nastavenia pre jednotlivé prijímače vyplývajúcich z aktuálneho obmedzenia kapacity zdroja s prihliadnutím na pravidlá a priority stanovené pre jednotlivé prijímače; f. nastavenie vypočítaných hodnôt nastavenia v riadiacich systémoch jednotlivých prijímačov energie v prípade potreby obmedzenia kapacity zdroja.
2. 2. Systém na riadenie požadovaných hodnôt účinnosti zdrojov a prijímačov energie, realizujúci spôsob podľa nároku 1, obsahujúci riadiace systémy zdrojov energie a riadiace systémy prijímačov energie, vyznačujúci sa tým, že medzi riadiacimi systémami zdrojov energie a riadiacimi systémami prijímačov energie je umiestnený aspoň jeden koncentrátor (401) vykonávajúci agregáciu dát z kroku b., obsahujúci procesor s pamäťou (403) a komunikačnými rozhraniami (408-409) umožňujúcimi komunikáciu s ovládačmi zdroja a prijímača a komunikačným rozhraním (407) umožňujúcim komunikáciu s behovým prostredím (301) v ktorom sa vykonávajú algoritmy (302-303) na výpočet požadovaných hodnôt z krokov c.-f.
3. 3. Systém podľa nároku 2, ďalej vyznačujúci sa tým, že behové prostredie (301) je implementované vo forme softvéru inštalovaného a prevádzkovaného v cloudovom prostredí.