TW539932B - Energy management system and methods for the optimization of distributed generation - Google Patents

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Description

五、發明説明（i 相關申請案的交互參考 在2000年8月1】由二太、’ 先權益，其整個^Γ 時中請案標號第60/224,606的優 考。 乍内谷在此併入作為申請專利範圍的參 /發明背景 發明領域 二叙相關於分散的能量產生系統’並更特定於有 系統分散的能量產生系統，其可以最佳化並控制 相"=使用來維持所希望的建築環境在最低成本。 相關技術的簡短說明 來 分 力產生通常是以燃燒燃料作為能量來源旋轉滿 :機為“的處理。例如，在基礎負載電能設施的情形 :燒煤炭來取得熱’熱轉換為蒸汽，而蒸汽壓力用 :轉一或多個渦輪。此渦輪機接著產生電能。不幸的是 統的電能產生基本上是沒有效率的處理，燃料源損失 $刀總旎1數值是浪費掉熱的形式。通常，只有小 :燃科的總能量數值從燃料中取出並最終可當作電能二 效 掉 替 生 ，已經發展的有共生處理來增加電能產生處理的整體 率，。與傳統電能產生相反的，共生利用了最少某些^评 的4 ’通常疋藉由從漏輪機排出的低溫蒸汽中搜取部分浪 費掉的熱。還原的熱可以熱空氣蒸汽的形式幻U ’ 代的，還原的熱可以用來產生額外的蒸汽，接著用 更多的電能。 539932 A7
補對映； 圖9為實例的三角成員功能； 圖1 0為另一個實例的三角成員功能； 圖1 1為另一個實例的三角成員功能；以及 圖1 2為另一個實例的三角成員功能。 所揭示具體實例的詳細說明 所揭示具體實例的下面說明的用意並非限制本發明的範 %為在此詳述的特定形式。替代的，下面的說明的用竟是 本發明的說明性原則，以便其他人可遵照其教授。 參考圖1，一根據本發明的能量管理系統，一般標示為 1 0，包含一或多個能量來源，例如，舉例的而非限制性 的，太陽能源1 4及天然氣能源1 6。此能量管理系統1 〇還 包含到電力公司1 8的連接。此能量管理系統1 〇，與電力公 司1 8 —起’組態來符合建築物2 0的加熱，冷卻及電氣需 求。 太％能源14包含太1%能畜電池22，其產生熱能24及/或 電能2 6。太陽能源1 4還可以包含產生熱能3 〇的太陽能加 熱組件2 8。熱能2 4及3 0被導引至加熱及冷卻設備3 2。此 電能26則導引到電氣控制/轉換設備34。 天然氣能源1 6包含微渦輪3 6 (或是數個微渦輪3 6 )及/或 燃料電池3 8的系統。適當的微渦輪3 6可以從加州的 Chatsworth Capstone Turbine公司獲得。3 0 k w 及 6 0 k w 的微滿 輪已經測試過。其他的尺寸可以根據建築物2 0的整體電力 需求加以選擇。另外的，一或多個交換引擎用來取代為渦 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 539932
輪3 6。微渦輪3 6產生熱能4 Ο，被導至加熱與冷卻設備 3 2 ’及電能4 2，被導至電氣控制/轉換設備3 4。傳統的熱 加熱產生器，例如天然氣爐4 4，也可以提供來產生熱能蒸 汽4 6 °再者，燃料電池3 8產生熱能4 8及電能5 0。來自燃 料電池3 8的熱能4 8被導至加熱及冷卻設備3 2，而來自然 料電池38的電能50被導至電氣控制/轉換設備34。此電力 公司連接1 8供應額外的電能5 2，被導至電氣控制/轉換設 備3 4，或從之導出。 此能量管理系統1 〇包含一最佳化系統5 4，其最佳化來自 所有可用來源的電能及/或熱能的產生及使用。此最佳化 系統5 4將來自電氣控制/轉換設備3 4電能的使用最佳化， 以及將來自加熱與冷卻設備32的熱能使用最佳化，因而最 佳化整體的能量使用。最佳化的處理在下面有更詳盡的說 明。 如果有過剩的可用電能，過多的電能可以儲存在飛輪5 6 中。如替代的方案，過多的電能可以賣回給電力公司1 8及 /或儲存在傳統的蓄電池或電池。在加熱及冷卻設備3 2中 的可用熱能則可以評估而總能量成本可以最佳化。對所希 望的建築環境之加熱及/或冷卻此建築物2 0的熱需求則加 以計算，根據建築物的佔用及使用模式。接著對熱輸出 (可用的熱能）及所希望的建築物環境之熱需求間的差異加 以計算。如果加熱及冷卻設備3 2的熱輸出超過建築物2 0的 熱需求’超過的熱能可以傳統的方式儲存在加熱及冷卻儲 存單元5 8。如果從加熱及冷卻設備3 2的熱輸出不足以符合 G張尺度國國家標準(CNS) α4規格(21〇χ297公复）8 539932 A7
建术物2 0的熱需求，額外的熱能可以從加熱及冷卻儲存單 元58中取出.此加熱及冷卻儲存單元”可以有不同的形 式。例如，此加熱及冷卻儲存單元58可以是共熔鹽系統^ 其儲存熱能為在液體與固體間共熔鹽的改變相態。已知其 他形式的熱儲存電池系統。 現在參考圖2，目1的最佳化系統54更詳細的說明。最佳 :匕系統54持續的最佳化來自不同能源的能量使用及附帶 以便以最低的成本維持所希望的建築環境。這在5 $的 =里平衡及比較步驟中顯示。建築物的電力需求在$ 8計 开本地的電能源6 0，例如太陽能源丨4以及微渦輪3 6， 提供一電氣輸出61，其設定來符合計算出電能最低成本。 =能使用枝由子I统加以控制的，其最佳化相對本地 能量使用率的數值，來自本地電能源6〇的電能產生，以及 來自私力么司1 8提供到此建築物的電能。這個子系統還提 供了不同應用下X流電與直流電62的組合，因其可優異的 :用f少部分的產生電能以直流電形《，取代轉換為交流 電。這個子系統還最佳化用作直流電的部分電能。 接者考慮建築物中不同的熱能源64，例如來自微渦輪 36、燃料電池3δ的熱輸出，太陽能源“的熱輸出，以及/ 或任何可把出現在建築物中的輔助暖氣爐。建築物的熱使 用模式（其通常是根據佔用模式）接著在66觀察，加熱或冷 卻建築2以維持希望的建築環境的熱需求在68加以計算。 接著冲异熱源6 4的熱輸出與所希望建築物環境$ 8之熱需求 間的差異。如果有過多的熱輸出，此過多的熱輸出最好分 X 297公釐） 本紙張尺度適财國@家料 539932
配到在H 72上的快速回應的熱儲存。如果在快速回應的 熱儲存早7C 7 G、7 2中到達了最大溫度，熱可以經由旁通闕 傾倒在74的大氣中，熱的產生可以遞減，或是熱可以藉由 吸收冷卻裝置76的方式加以冷卻，藉之減少電氣空調的需 求（顯示在78)。另&，如果建築物中的歷度需要減少，熱 可以被導至乾燥劑除溼裝置8 〇。 如圖3中概要顯示的，此乾燥劑除溼裝置80包含一乾燥 劑轉輪80a(顯示在圖3橫切面中）其繞著中心軸8〇b旋轉。 一較低的輸送管82a遞送溫暖的，潮澄的空氣通過乾燥劑 轉輪80的較低部分，而上方的輸送管82b遞送熱空氣，例 如廢熱氣，、通過乾燥劑轉輪8〇的上方部分。乾燥劑轉輪8〇 吸收較下万輸送管…中的㈣，因此浸透乾燥劑轉輪8〇 的孩邵分。離開乾燥劑轉輪8G的乾空氣在a的位置回到建 築物。當乾燥劑轉輪80繞著軸80b旋轉時，轉輪的浸透部 分運行到上方的輸送管82|3，其中浸透部分暴露在熱空氣 中°熱$氣再生乾燥’而澄空氣仙的位置排出。 、因為在一般的加熱，通風及空調（HVAC)應用中大約一半 或更夕的空凋是用來除溼，乾燥劑除溼系統8 〇的使用藉之 降低對電氣空調的需求（顯示在圖2的84)。選擇乃根據最 佳化成本的計算做出，根據用在除溼系統8 〇產生額外熱的 成本與利用額外2調8 4成本間的比較。如果在熱源6 4的 熱輸出與所希望建築物環境6 8的熱需求間差異的計算的結 果疋熱量不足以符合所希望的建築物環境的熱需求，熱最 好此從快速回應的熱儲存單元70、72或辅助的火爐（未顯 本紙張尺度
裝 訂
線 539932 A7 B7 五、發明説明（8 ) 示）攫取出來，根據能量的成本數值最佳化。 圖4說明分散的產生系統100根據本發明的另一個揭示的 具體實例教授而組裝。微渦輪102產生熱能量，其由熱還原 單元104還原，並且還產生電能量。連接到電力公司106可 提供額外的電能量。一建築物108電能量的需求量設定要符 合在110上能量的最低成本。能量的流動控制及最佳化單元 112控制並最佳化在114電能量的需求量以及建築物108熱能 量的需求量，藉由監視每種使用或需要的能量形式。流動 控制裝置116接著遞送此熱能及/或電能到建築物108的不同 部分，根據以建築物108佔用及使用模式為基礎的需求。如 果有過多的熱能量，可以儲存在熱儲存單元118中或者，如 果不需要這個熱能則這個熱能可以經由旁通閥120倒至大氣 中。過多的熱能可以熱蒸汽的形式逸出微渦輪102。如果過 多的熱能是需要的（例如，熱空氣的形式或是再充電乾燥 劑除溼系統122)，此熱能可以導至適當的元件。如果有足 夠的分配到建築物的熱能量，此熱能可以經由使用熱交換 器124轉換為熱。 取決於在126發生的建築物溫度監視襯框.，此熱能可能需 要轉換為冷卻空氣而不是熱。這種情形下的熱能可以送到 吸收冷卻單元128及冷卻的熱交換器130。結果加熱的或冷 卻的空氣接著導至建築物的空氣處理器132，其藉之將加熱 的或冷卻的空氣導至建築物108的不同部分。 本發明的另一個較佳具體實例一般指定微圖5的150。系 統150最佳化能量及來自不同能源的熱來以最低成本維持所 _-11- _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 希主的建築物環境。這可由152的能量平衡及比較步驟加以 j不。對建築物的電力需要加以計算並且設定電力輸出154 付〇所计异出電能的最低成本。接著評估建築物中不同的 熱源156來決定可用的熱能源量。此熱源可以包含微滿輪、 、料私池太除旎熱源及/或任何可能出現在建築物中的 輔助暖氣爐。接著在158上觀察建築物的熱使用模式，以及 維持所希望建築物環境的建築物加熱及/或冷卻的 热把而求。熱源156及所希望建築物環境的熱需求間的差異 接耆被計算出來。如果有過多的熱輸出，過多的熱輸出最 =在160上刀配至快速回應的熱儲存。如果在快速回應的熱 儲存單元160中到$ 了最大溫度，抑或將熱倒至大氣中或是 裉據任一行動的成本的最佳計算來減少熱的產生。另外， ^ 9代的，熱可以儲存在建築物的區域中。如果熱源156的 …輸出人所希望建築物環境的熱需求間差異的計算結果是 熱2不足以符合所希望建築物環境的熱需求時，則熱能最 好仗快速回應的熱儲存單元160或是輔助的暖氣爐（未顯示） 中耳出根據也量數值的成本最佳化。 根據所揭不具體實例的分散式組合熱及電力系統進一步 提供整體效率的增加，並提供消費者更多的服務可靠度以 及車乂低的成本。在一分散式的組合熱及電力系統中，一獨 、'、％黾系統&供電能及熱能給建築物。此發電系統可以 從幾個來源產生電能及熱能，包含，例如，天然氣、廢 氣，例如不准產生的甲烷氣體，太陽能及其他來源。 分散式的組合熱及電力系統中，來自不同能源的組 五、發明説明（10 ) 能及電能使用受到控制及最佳化，以便做到最低整體能源 成本。在最佳的分散式的組合熱及電力系統中，整個建築 物可以模型化為可控制、管理且與外部電力公司連接的系 統。此系統有能力以幾種形式產生電能，包含從例如太陽 能組件，微渦輪，燃料電池、交換引擎，飛輪或其他電氣 儲存裝置的來源。 、 此系統還有能力可抓取並使用來自不同來源的熱能，包 含來自微渦輪及燃料電池改良的還原附帶熱蒸汽。此系統 還可以直#獲得太陽能經由主動及被動的太陽熱組件並可 以從周圍大氣中取出熱能。此系統還可以達到额外的效 率，藉由最佳化使用建築物本身的熱儲存容量，及/或建 立利用快速回應的熱儲存單元，根據共熔鹽或熱大量儲存 技術。因此，可以降低所選擇建築物應用的整體能量成 本而同時增加所供應能量流的可靠度及品質。 藉由以局部化方式（也就是在建築物）利用能源，兑可以 與傳統的電力公司一起使用’本創新系統可以提供可指明 可靠度及品質的電能及/或熱能。藉由還原最大量的一般 會浪費掉的熱能’可以獲得額外的效率。再者，藉由 能量的流動及使用’建築物内的熱能及電力，心使：的 整體效率因而進一步的增加，因而降低了整體成本。 最好’系統包含連串的子系統，並 Μ /、j以在建栄物位置上 將能量的使用最佳化。藉由包含建築物 咬朵物亏！，例如建築物 電力及熱負荷模式以及其他的建築物於旦 、 埯采物把里要求考量及變數 作為整體的说支:使用簡要樓案的部分， 此系統相較於其他 539932 A7 ________ B7 五、發明説明（u ) 系統可以達到在7 5 %到8 0 %之間的更多效率。結果，許多 建築物系統，例如HVAC系統及不同的電力系統可以減小其 規模，再次的降低成本。 這種改良且更有效率分散式結合熱能與電力系統的普遍 貫做可以節省納稅人大量的能源成本並且是以年為基礎 的大Έ：降低一氣化碳，二氧化硫及氮氧化物的散發。 一整合的最佳化控制系統將建築物中能源的使用最佳化 以及將所產生的能量的使用最佳化（也就是，熱能與電能） 造成較少的淨能量成本，更高的可靠性及更高的電力品 貝。在連績性的基礎上，此系統評估電力公司的價格，本 地產生電力的價格，以及來自不同可用來源的熱能成本及 數值。此系統接著連續地調整使用率來達到最佳化的成 本。此系統還提供能源管理上更環保的解決方案，因為使 用浪廢的熱並進一步讓使用者可以自訂所希望的電力品質 及可靠性選項。 此系統利用建築物本身的熱儲存容量以及其他的能源來 降低建築物的總體能量成本，而同時增加所供應能量流的 可靠度及品質。 也可以提供太陽能電池及/或主動式或被動式太陽能加 熱組件形式的太陽能組件以提供電能及熱能。被動式太陽 能可加以组態為建築物的基本設計，如此可有這個熱能源 的最佳化以及建築物中熱儲存量的考量。最好，採用快速 回應的熱儲存系統，其在建築物的環境及財務條件變動期 間可允許熱能的快速供應。 G張尺度適财a s家標準(CNS) A4_21GX2·^· -14- 539932 A7 B7 五、發明説明（12 再者，以模糊邏輯及神經網路為基礎的人工知 ， 曰慧可以用 來進一步的取佳化及控制此系統。神經網路县 J合疋—資訊處理 系統，其可包含一個陣列的高度互連的處理器節 I系占’類似 真實的神經。這些人工神經配置在互連的屏由。，， 逆日]臂〒。此網路被 程式化，最簡單的情形，藉由比較輸出值盥希妙 丨且”邛主的輪出值 並調整層間互連的權重來產生希望的輸出值對—夕 A多組的 訓練輸入值。 神經網路可以用在兩項目的。第一，此網路可以當作是 部分的前送預測系統。這個系統允許建築物能量系統的特 徵描述以及接下來的最佳化。第二，此網路可以用來預測 建築物的佔用模式根據區域的能量使用，並可改變這此區 域的能量内容，藉由改變可感測或可能特定區域的部分潛 伏熱能。 神經網路最好將建築物劃分為數個區域並定義在此建築 物中每個區域的使用模式。接著，建築物的低使用部分可 以用來儲存供建築物高使用部分所要用的熱。這些佔用模 式在整天中調動，而系統動態的適應這些模式，企圖將建 采物的淨熱能使用降到最低。這樣的預報設計將可以讓建 築物本身變成能量儲存系統。這樣的能量儲存將可降低整 體的能量成本，藉由將能量從不需要它的地方移到可以有 最大價值的建築物區域。這可允許建築物能量系統的最佳 化並提供潛在降低小型建築物所預期的H VAC資本消耗的 資訊。快速回應的熱儲存選項可大大的增進廢棄熱能的價 值以及能量系統的整體效率。 -15- 本紙張尺度適财國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公着） 539932 A7
天然氣能源包含熱或電力的分散產生源，例如微渦輪， 互補引擎，燃料電池，及/或由天然氣驅動的傳統HVAC 元件。對於分散的產生選項，電力及熱可以由微渦輪，互 補引擎，燃料電池，及/或其他電力產生裝置來產生。 萬作笔力產生處理的副產品所產生的熱可由系統裝置還 原其加熱接下來的熱轉換媒介，例如丙埽甘醇。額外的 為也可以從建築物中的被動太陽能加熱組件還原。這個熱 犯接著被利用來直接加熱，由吸收冷卻裝置來冷卻，及/ 或儲存在稍後使用。 電力與熱可由一或多個微渦輪互補引擎，燃料電池，及 /或燃料電池產生。可再補充的資源包含光電產生，主動 的太陽能加熱及照明，及被動的太陽能加熱及照明也可以 提供能量。藉由主動地整合以熱能源及快速回應熱儲存產 生的電力，可以提供多層次的電力品質及可靠性並降低整 體的能量成本。 電能的使用率受到子系統的控制，其最佳化其相對於本 地能量使用率的數值，以及競爭的電能源，例如來自建築 物的電力公司。這個子系統還可以就最佳使用率簡要樓案 提供不同應用情況的交流電與直流電的組合。在此說明知 系統的優點之一是可以直接使用直流（DC)電力，而不用 將電力轉換為交流電流（AC)。這可以提供電力的節省， 因為損失結果通常在直流電轉換為交流電，利用傳統的轉 換咨例如振盧器或是後有步進變壓器的截波器。藉由直接 利用直流電，可以增加效率。這也大大的增加系統的可靠 _ —_ -16- 本紙張尺度適用巾S S家標準(CNS) A4祕(210X297公爱)"' ------- 度口為對於那些包含備用或不斷電電源的系統而言轉換 务通¥疋較向故障率的發生點。直流電的直接使用還提供 成本的節省因為不需要DC到AC的轉換設備。 取佳化的系統可以最佳化不同能源的能量使用以及附帶 的熱來以取低成本維持所需要的建築物環境。這個最佳化 系統首先考慮到建築物白勺電力f求並設定電力輸出來符合 出的電能最低成本。接著，考慮不同的熱流動，例如 k械渦輪及/或燃料電池，太陽加熱源，或任何出現在建 木物中的輔助暖氣爐的熱輸出。接著觀察建築物的佔用及 使用模式，並計算建築物加熱及/或冷卻的熱需求。這項 熱需求係根據建築物在不同氣候條件及建築物地理方向性 的模式。熱泥動的熱輸出與所希望建築物環境的熱需求間 的差異接著加以計算。&果有過多的熱輸出，過多的熱輸 出最好分配到快速回應的或其他適當的熱儲存直到最高溫 度。如果在適當的熱儲存單元中到達最高溫度，過多的熱 。，、彳〗在大氣中，或疋可以根據任一活動的成本最佳計算 減少熱能產生。如果熱流動的熱輸出與所希望的建築物環 境的熱需求間差異的計算結果是熱能不足以符合建築物的 加熱需求’熱能可以從快速回應儲存或是輔助的暖氣爐取 出，根據能量價值的成本最佳化。熱流動的熱輸出與所希 望的建築物環境的熱需求間差異的計算是關係重大的，因 為熱儲存的熱或時間常數限制不能超過。 熱儲存的時間回應的兩個方法可以使用。第一個方法在 可接受操作限制之上及之下建立一不作用帶。第二 539932
539932 A7 B7 五、發明説明（16 ) X 2 =電力公司的電力成本， x3 =太陽能電力成本， X 4 =太陽能加熱成本； X 5 =電力公司電力備源成本； 其中xl + x2 + x3 + x4 + x5$無組合的熱及電力天然氣及電 力能量成本。 還有好幾個變數要在效能指數的計算中加以考量，其如 下： X 6 =滿輪效率； X 7 =燃料電池效率； x8 =渦輪/燃料電池熱還原效率； x9 =太陽加熱或冷卻的效率； X10 =快速回應熱儲存成本； X11 =快速回應熱儲存的尺寸； X 1 2 =快速回應熱儲存的時間常數； X 1 3 =投射在建築物上的太陽熱； X 1 4 ==建築物維持希望溫度所需要的熱； X 1 5 =佔用區域所希望的建築物溫度； xl6=電力使用（AC + DC); X17 =電力服務的可靠度； X 1 8 =熱能服務的可靠度； X 19=電力品質服務成本； X 2 0 =建築物的熱能使用； X 2 1 =建築物的電力使用 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 539932
X22=由天然氣分配產生供應的電力部分· ' X 2 3 =電力公司供應的電力部分； X 2 4 =以直流電供應的電力部分； χ2 5 =建築物所用由天然氣產生的廢散部八. x26=用來作乾燥劑除溼由天然氣產生的 x27=用來吸收冷卻由天然氣產生的廢熱部=分 X 2 8 =熱儲存的溫度； ’ x2 9 =建築物未佔用區域的熱儲存容量； x3 0 =建築物未佔用區域的最大△溫度； 其中熱儲存的最小溫度$χ28$熱儲存最大溫度； 其中取小溫度S X 3 1 £最大溫度； 其中x2 4$ 1， x2 5 < 1， x2 6 < 1 ^ x2 7 < 1， x30$接受位準； 其中最小太陽能輸入$xl 3 $最大太陽能輸入；以及 其中xl〇S直接熱產生成本， xll$最大可允許的實體尺寸， χ12 >最小的可能數值。 取好’效能指數的最佳化分析是在時域中完成的。不同 的頻域靠量與計算可以在最佳化期間及/或之後執行來補 足最佳化的處理。 要視覺化模糊控制系統，可以使用一多維的控制表面。 ____-9Π- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐）
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線 539932 18 五、發明説明（ 圖6中說明的是一湃左 一 糊浐η “ 制表面。藉由決定每個模 糊輸入<數中輸出變數的成份角度以及對映輸入變數到多 :的控制表面上計算出特定輸出變數的值。控制表= 後個維度（在這種情形下是高度）是輸出變數的值 示的範例中，有兩個輸入變數及一個輸出變數。 ; 可理解到可以使用任何數目的不同輸入及輸出變數。 貫務上’只有控制表面上的幾個點為儲存在系統中的設 相標，控制表面的其餘點則經由插補法決定出來。這個 犯例中’九個設計座標用來定義三維控制表面，任一個係 針對兩輸人變數的低、巾、高的每種组合。然而，應理解 的是任何數目的設計座標可以用來定義此控制表面，以及 控制表面可以有任何數目的維度。 圖7說明的是規則，以矩陣及文字的形式描述，結合用 來架構圖6之控制表面的設計座標。例如，，，中心陳 述的是如果輸入變數丨為”高”而輸入變數2為，，中，，則設定輸 出k數的值為4。在另一個範例中，接下來的三個規則可 以用來定義部分的實例控制表面：υ如果溫度的微分為大 正值，則熱的附帶產生很大；2)如果溫度的微分為中正 值；以及3)如果溫度的微分為小的正值，則熱的附帶產生 很小。矩陣可以認為是控制表面直接由上向下看非常粗略 的觀點。設計座標的數值為規則的輸出。這些規則載負的 每個權重可藉由修改其輸出的值而調整，藉之改變控制表 面的外形。 圖8說明的是控制表面另一個向下觀點。與設計座標結 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐） -21- 539932 A7
合的規則數目在九個位。 中的優先順庠。 ^ T早-規則控制這些區域 乂、 /、 前頭只釋出控制表面的區域，其中適用一 二ί的：則並使用插補法。梯形成份作用在有重疊區域 、” 二中有—個以上的輸人標籤在同時為部分真值。 t Μ的矩心可以調整來改變控制表面的外形。當然， 也可以使用梯相外的形狀來說明成份功能。例如，三角 形成份函數顯示在圖9]2中，其對應到上面給的實例規 則0 、 ^又知用-系統的動態環境，決定出控制表面的最好外 形是㈣標的。因此，控制表面可以在操作期間連續調整 以回到最佳化外形並將系統的效率最佳化。在第一具體實 例中，每個輸入軸大小調整分散至數值範圍。當然，任何 數目的移動平均及大小調整函數可用來適應根據這個方法 的控制表面。 在第二具體實例中，規則的權重及/或梯形成份函數的 矩心被凋整（事貫上，控制表面的外形被調整）回應於一或 多個效能量測。效能量測可以是系統所接收的任何型態回 抆在具m貝例中，此系統調整一或多個權重及/或在 隨機方向中的矩心。如果效能量測改善，調整在相同的方 向中繼續。如果效能量測惡化，則選擇另一個隨機方向。 最後，在穩定的環境中，此系統將收斂在一小組的近似最 佳化的控制表面（也就是，圓形的收斂）。在動態環境中將 持續的追逐最佳化控制表面。大調整將收斂得較快，但將 也產生大的收斂圓形。當然，調整的大小並不需要固定。 _ -22-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） --~ ----- 539932 A7
此系統可以在需要收敛時用大調整並接著小調整持續在緊 密的收敛圓形。 模型的系統最好是連續的。在不同環境下適#使用離散 的模型來增進計算或減少計算所需要的時間。—般，—集 總參數的陳述以熟知方式用在分析中。這允許使用標準的 微分方程式相對於偏微分方m始化的最佳化完成係 假設系統為可決定的而非隨機的。在起始化最佳化完成 後’機率性的最佳化的完成係由於資料與預測的不確定 性。 最好，效能指數疋根據-般的系、统，其利用電腦模擬模 型系統加以模擬。來自這個模擬的輸入與輸出係透過與數 值計算電腦程式的介面完成的。系統最佳化係透過利用訂 製設計函數以及那些在數值計算電腦程式中的變數之電腦 常式芫成。建築物模型與此數值計算電腦程式介面來提供 時間函數的建築物熱需求。 這個方法並不特定於任何特定電腦產品。在一具體實例 中，MATHCAD® ’ 一般目的的模型程式，並用模型化此建 築物。標準的程式由於不同的建築物需求已加以修改，包 占但不限制於熱輸出，太陽能加熱輸出，地理方向性，以 及絶緣。這個程式接著輸出至Mathsoft公司的，其 係用來做數值計算的電腦程式。這是一個廣泛模型系統， 其私式化來作能量管理的套裝，其記錄不同的熱源·，熱儲 存的容量，熱儲存中的最高溫度，以及一旦到達最高的儲 存溫度B寺要如何處置過多的熱。SIMULINK®，同樣屬於
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539932 A7 B7 五、發明説明（21 )
Mathsoft的，與MATLAB®界接並用來模擬。這個程式提供特 定時間系統中所產生BTUs數量的預測，取決可得能量的數 量。OPTIMIZATION TOOLBOX®，也屬於 Mathsoft的，係用做最 佳化的常式。 這個多維最佳化設計的最後效果是選擇混合的能量來 源，其產生所希望的建築物能量組態並將整體能量成本降 到最低以及任何對建築物的負面環境影響。 總體能量控制系統將電力來源及熱能來源最佳化，以便 將建築物的整體能量成本降低到少於傳統能量來源選項所 提供的。這個系統持續的調節能量產出與儲存間的平衡， 以便將成本降低至能量可靠度，品質及建築物使用模式的 限制之内。這個最佳化的結果，可以讓組合的熱與電力系 統在操作的基礎負載模式而非峰值模式下運行。這可以讓 系統持續的運行，因為它較不受天候影響。這個，依序 地，大大的增進此系統的經濟與環境獲益。 前述說明的目的在教授對本技藝具一般性技巧的人實現 本發明的最佳模式並且只是說明性的。本發明的修改及替 代性具體實例對於熟習本技藝的人而言是很明顯的，就此 舉例的具體實例的詳細說明觀點。所揭示結構的細節可實 質的改變而不會背離本發明的範疇及精神，而對後附申請 專利範圍範疇内的所有修改的獨特用途均做保留。 _____-24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. A B c D 539932 第090119646號專利申請案 Θ中文申請專利範圍替換本(92年1月) 六、申請專利範圍 1 · 一種分配建築能量的方法，此方法包含步驟： A.產生包含電能的能量，來自從包含天然氣，太陽 能組件及電力公司中選定的能源所產生的熱及附帶熱； B .還原至少部分的附帶熱； C .模型化建築物的整體能量簡要檔案，此整體能量簡 要檔案包含熱能量需求及電力能量需求； D .評估整體可用的熱流動，整體可用的熱流動包含 產生熱的流動及連串的附帶熱流動； E ·將電力能量及產生熱流動與附帶熱到建築物中供使 用； F. 就離散時間間隔建立標的整體能量成本； G. 就離散時間間隔計算效能指數指示實際的整體能 量成本；以及 Η.透過一最佳化設計，在離散的時間間隔上，將電 力能量及產生熱及附帶熱流動的使用最佳化，藉之以最 低的整體能量成本維持所希望的建築物環境，其中最佳 化的設計包含步驟： a.計算最低的電力能量需求； b ·設定電力能量輸出來符合計算出的最低電力能量 需求； c .將整體的可用熱流動與建築物的熱需求比較； d .如果整體的可用熱流動超過建築物的熱需求則進 行其一 ：i)儲存過多部份的整體可用熱流動在儲存裝 置中；i i)將過多部分倒至大氣中；或是i i i)減少整體 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 可用的熱流動； e·如果整體可用的熱流動少於建築物的熱需求，則 至少一：i)從儲存裝置中取出儲存的過多部分；以及Η 減少所產生的熱流動；以及 f.最佳化此系統，藉由比較實際的整體能量成本與 與標的的整體能量成本並調整電力能量的使用以及整 體可用的熱流動藉之提供最低的實際整體能量成本。 2.如申請專利範圍第丨項的方法，其中效能指數定義 個獨立變數在特定的N度空間或維度區域的函數，如 IP IP(xl，x2，...，xn) ’ 其區域以 ψ(χι,χ2，..，χη)<〇 走義’其中效能指數的計算係以下面的方程式： ΙΡ = (χ1 + χ2 + χ3 + χ4 + χ5) / ξ， 其中千瓦的能量（電力及熱），而進一步的其中·· χΐ =離散時間間隔上的天然氣實際成本； 本心離散時間間隔上的電力公司供應電能的實際成 x3 =離散時間間隔上的太陽能供應電能的實際成本； x4 =離散時間間隔上的太陽能供應熱能的實際成本，· x5=電力公司供應電力備源的實際成本；以及 其中X1 + X2 + x3+x4 +…無組合㈣及電力天然氣及 電力能量成本。 3.如申請專利範圍第2項的方法，其中能量的產生是利用 至少-個微滿輪或燃料電池组件而其中效能指數進一步 -2- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱^ A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 的計算，藉由考慮下面的變數及限制： X 6 =滿輪效率； X 7 =燃料電池效率； x8 =渦輪/燃料電池熱還原效率； x9 =太陽加熱或冷卻的效率； xlO =快速回應熱儲存成本； X11 =快速回應熱儲存的尺寸； X 1 2 =快速回應熱儲存的時間常數； xl3 =投射在建築物上的太陽‘熱； X 1 4 =建築物維持希望溫度所需要的熱； X 1 5 =佔用區域所希望的建築物溫度； X 1 6 =電力能量的使用，包含交流電使用及直流電使 用； xl7 =電力公司供應的電力能量； xl 8 =整體可用熱流動的可靠度； xl9=電力品值服務成本； X 2 0 =實際建築物熱能使用； x2 1 =實際建築物電力使用； x22=由微渦輪及燃料電池供應的電能需求部分； X 2 3 =由.電力公司供應的電能需求部分， X 2 4 ==以直流電形式供應的電能需求部分； x2 5 =用來滿足加熱建築物的部分熱能需求的附帶熱 部分； x2 6=用做熱儲存裝置除溼的附帶熱部分； -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    裝 玎 馨 AS B8 C8 D8
    53^?21〇 ... .. · ιΊ. 六、申請專利範圍 需求的附帶熱 x2 7 =用來滿足冷卻建築物的部分熱能 部分； x2 8 =熱儲存裝置的溫度； X 2 9 =建染物第一組標記區域的熱儲存容量·、 X 3 0 =建築物第一組標記區域的最大△溫度· 及 其中熱儲存的最小溫度$χ28$熱儲存最大溫度· 其中最小溫度931 £最大溫度，且其中·· χ24<1 ; x25<l ; ' x2 6 < 1 ; x27<l; x30S預訂的位準；而其中 最小太陽能輸入$xl 3 $最大太陽能輸入；而其中 xl〇S直接熱產出成本， X 1 1 S最大可允許的實體大小， XI 2最小可能值。 4·如申請專利範圍第丨項的方法，其中效能指數定義為N 2間的特定區域中n個模糊變數的函數，如下： IP-IP(xl，x2，···，xn)，此區域係以 ψ(χ1，2 xn) $0定義，其中效能指數的計算係以下面的方程式·· ΙΡ = (χ1 + χ2 + χ3+χ4 + χ5)/ f J 其中千瓦的能量（電力及熱），而進一步的其中： xl=離散時間間隔上的天然氣實際成本； 離散時間間隔上的電力公司供應電能的實際成 -4- 本紙張尺度適㈣S家標準(CNS) Α·Μ21()Χ297公釐) 3 5
    申請專利範圍 本； x3 =離散時間間隔上的太陽能供應電能的實際成本； =離散時間間隔上的太陽能供應熱能的實際成本； 電力公司供應電力備源的實際成本；其中 xl + x2 + x3+x4 + x5$無組合的熱及電力天然氣及電力能 量成本；以及 包含額外的步驟： 決定至少兩個模糊變數的每一個中的成份角度； 對映至少兩個成份角度到用來最佳化能量使用的控 制表面上；以及 指定至少一個變數的優先順序回應控制表面的對 5 ·如申請專利範圍第丨項的方法，其中能源的群組還包含 垃圾產生的甲烷氣體及生物量產生的甲烷氣體中的至少 一個0 6 ·如申請專利範圍第丨項的方法，其中儲存裝置為快速回 應的熱儲存單元。 7. 如申請專利範圍第丨項的方法，其中電能需求包含直流 電需求及交流電的需求，並計算直流電或交流電^求= 至少一個相對於電能需求的最佳部分。 8. 如申請專利範圍第i項的方法’其中模型化建築物整體 能量簡要樓案的㈣包含估算建築物的佔用帛式以2 築物的使用模式的步驟。 9·如申請專利範圍第丨項的方法，其中 化 天土化建染物整體 -5- 本紙張尺度適财g S家標準(CNS) A4規格(210X297公爱)' ________ A B c D 539932. 六、申請專利範圍 能量簡要檔案的步騾包含計算建築物環境因素的效果的 步驟。 ίο·如申請專利範圍第i項的方法，步驟包含使用除溼系統 來改變整體能量簡要檔案。 11.如申請專利範圍第1〇項的方法，其中除溼系統為乾燥劑 除溼系統。 12·如申請專利範圍第1 1項的方法，步驟包含利用附帶熱的 分數部份來改善乾燥劑除溼系統。 13·如申請專利範圍第1項的方法，·包含利用至少一個熱交 換器或吸收冷卻裝置傳遞整體可用熱流動到建築物。 1 4 ·如申請專利範圍第1項的方法，其中附帶熱係利用熱交 換器還原。 15·如申請專利範圍第1項的方法，其中的附帶熱利用熱交 換器倒出。 16·如申叫專利範圍弟1項的方法’其中附帶的熱利用旁通 閥傾倒至大氣中。 17· —種能量管理系統，用來管理能量的產生及分配從能量 來源到建築物’此建染物有一希望的建築物環境及整體 能間要樓案’包含熱能需求及電力需求，此能量管理 系統包含： 能量產生器配置來轉換能量從能量來源到熱能量及電 能量； 熱還原單元配置來從能量產生器還原附帶熱； 冷卻單元配置來使用第一部份的熱能量來驅動冷藏單 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 53f932l 年J A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 元； 加熱單元配置來使用第二部份的熱能量來驅動加熱單 元； 熱儲存單元配置來儲存過多的熱；以及 能量最佳化控制器，此能量最佳化控制器包含熱流動 控制器及電流動控制，此熱流動控制器被配置來分配熱 能量及還原的附帶熱到至少一個冷卻單元，加熱單元， 及熱儲存單元，電流動控制器被配置來分配電能到複數 個電氣元件的至少一個，此能*最佳化控制器被配置來 建立一標的整體能量成本，計算效能指數指示出實際的 能量成本。根據實際的電力負荷及實際的熱負荷，比較 實際的能量成本與標的整體能量成本並調整熱能與電能 量的分配藉之獲得最低的整體成本。 18. 如申請專利範圍第1 7項的系統，包含一乾燥劑除溼系統 來移除建築物的溼氣。 19. 如申請專利範圍第1 7項的系統，其中加熱單元包含加熱 的熱交換器。 20. 如申請專利範圍第1 7項的系統，其中冷卻單元包含冷卻 的熱交換器。 21. 如申請專利範圍第1 7項的系統，包含旁通閥來將熱能量 的過多部分傾倒大氣中。 22. 如申請專利範圍第1 7項的系統，其中可以從包含微渦 輪，燃料電池，電力公司及太陽能電池的群組中選擇能 量產生器。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X297公釐) 六、申請專利範圍 23. 如申請專利範圍第1 7項的系統，包含電力轉換器來將部 分的電力能量轉換為直流電或交流電的至少一個，且進 一步的其中此能量最佳化控制器還包含轉換器控制器來 控制電力轉換器。 24. —種用來滿足建築物能量需求的系統，包含步騾： 從包含天然氣，太陽能加熱組件及電力公司群組中選 出的一或多個能量來源產生電力能量及附帶熱； 決定電能的可用量； 決定附帶熱的可用量； ^ 決定建築物的能量需求，建築的能量需求包含建築物 加熱需求及建築物的電力能量需求； 利用電能及附帶熱來符合建築物的能量需求；以及 透過最佳化設計將電能及附帶熱的使用最佳化來降低 整體能量成本，其中最佳化設計包含步驟： 建立標的整體能量成本； 計算效能指數指示出實際能量成本； 比較實際能量成本與標的整體能量成本；以及 調整電能及附帶熱的使用。 25. —種微共生系統，其包含： 一用來提供電能及熱能的氣燃微渦輪； 一用來從微渦輪還原附帶熱的裝置； 一用來轉換第一部份熱能成為可用熱的熱交換器系 統； 一用來轉換第二部份熱能成為可用能量以驅動冷藏週 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）
    5399 L 六、申請專利範圍 期的吸收冷卻系統；以及 分配電能及熱能到建築物中使用的裝置。 26. —種選擇能量來源選項的方法，此方法包含： 決定目前的能量需求，此目前能量需求包含目前的電 能需求及目前的熱能需求； 決定可滿足目前的能量需求的第一能量來源選項，此 第一能量來源選項有第一遠端來源元件及第一本地來源 元件，此第一遠端來源元件為從集中式能源產生器處所 購買能量之第一數量的指示，第一本地來元件則是由分 散的能量產生器所產生能量之第一數量的指示； 決定可滿足目前的能量需求的第二能量來源選項，此 第二能量來源選項有第二遠端來源元件及第二本地來源 元件，此第二遠端來源元件為從集中式能源產生器處所 購買能量之第二數量的指示，第二本地來元件則是由分 散的能量產生器所產生能量之第二數量的指示； 決定目前電能成本以及目前的熱能成本； 決定目前的電能可用程度以及目前熱能的可用程度； 決定一能量模型，此能量模型包含一時間期間，一與 此時間期間相關連的假定電能需求，一與此時間期間相 關連的假定電能成本，一與此時間期間相關連的假定熱 能需求，以及一與此時間期間相關連的假定熱能成本； 以及 選定第一能量來源選項取代第二能量來源選項，根據 目前的電能成本，目前的熱能成本，目前的電能可用 -9- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    539932 年Μ ABCD -申請專利範圍 度’目前的熱能可用度及能量模型。 27·如申請專利範圍第26項的方法，其中集中式能量產生器 包含一電力公司系統。 28·如申請專利範圍第26項的方法，其中分散式能量產生器 包含一微滿輪系統。 29·如申請專利範圍第26項的方法，其包含步騾來提供快速 回應的熱儲存系統，而其中決定目前電能可用度以及目 則熱能可用度的步驟包含步驟來決定儲存在快速回應熱 儲存系統中的熱量。 · 30^申請專利範圍第26項的方法，其中至少一部份的能量 模型是根據先前的使用模式。 31. 如申請專利範圍第26項的方法’其中至少—部份的能量 模型是由人類操作員輸入到能量控制系统中的。 32. 如申請專利範圍第26項的方法，其中選擇第-能量來源 選項取代第二能量來源選项的步驟包含執行模糊邏輯演 繹法則的步驟。 33·如申請專利範圍第3 2項的方法 1万/去其中模糊邏輯演繹法則 的執行需要天然氣的實際成本， ， 兒力公司供應電能的實 際成本，目前熱需求，以及目前+ 、、 曰則电能需求做為模糊邏輯 演繹法則的輸入變數。 3屯如申請專利範圍第3 3項的方 4 & 挺糊邏輯演繹法則的執 行還需要電太陽能的實際成本 ^ ^ 久熟太陽能的實際成本做 為杈糊邏輯演繹法則的輸入變數。 35·如申請專利範圍第3 3項的方 &糊邏輯演繹法則的執 本紙張尺度適财s g家標準(CNS) Α4規格(21Q χ 297公f 裝 訂 -10-
    行還需要熱儲存成本及熱倚存容量做為模糊邏輯演繹法 則的輸入變數。 36·如=#專利範圍第3 3項的方法，模糊邏輯演繹法則的執 仃达而要與此里來源相關的效率量測及可靠度量測做為 模糊边輯演繹法則的輸入變數。 ” 37. 如申叫專利範圍第3 3項的方法，模糊邏輯演繹法則的執 仃產生效能指數做為模糊邏輯演繹法則的輸出變數。 38. 如申#專利範圍第3 7項的方法，模糊邏輯演繹法則的執 仃產生能1的實際成本做為模糊邏輯演繹法則的輸出.變 數。 39·如申請專利範圍第2 6項的方法，其中選擇第一能量來源 選項取代第二能量來源選項的步驟包含執行神經網路演 繹法則的步驟。 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
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