在需求响应事件期间控制hvac系统的制作方法

在需求响应事件期间控制hvac系统的制作方法
【专利说明】
[oow] 相关申请
[0002] 本申请请求于2013年4月19日提交的美国序列号13/866,635的优先权，其要求 于2013年3月15日提交的美国序列号13/842,213的权益且是美国序列号13/842,213的 部分继续，其全部内容出于所有目的通过引用并入本文中。
技术领域
[0003] 本专利说明书设及用于在需求响应事件期间控制HVAC系统的系统、装置、方法W 及相关的计算机程序产品。更特别地，本专利说明书设及用于在需求响应事件期间智能地 选择并且/或者优化HVAC系统的控制轨迹的技术。
【背景技术】
[0004] 公共事业公司在始终满足电力的需求中面临持续的挑战。用于发电的设施通常适 合于供应稳定量的电力。然而，消费者对电力的需求常常完全相反的原因在于，电力总需求 在延迟过程中变化显著。日间变化导致其中对公共事业公司的需求最大的一个或多个"峰" 需求时间或时期，W及其中对公共事业公司的需求降低的"非峰"需求时间或时期。 阳〇化]在一日过程中的需求变化可W受到诸如天气和生活方式的若干因素的影响。例 如，在夏季期间，需求一般倾向于在室外溫度增加至被认为不适的水平时，因为消费者增加 其对诸如空调系统的高耗能电器的使用而提高。需求还一般倾向于基于工作习惯而改变， 在此需求当人们出口工作时并且再当人们结束工作回家时达到峰。在一年之中的一些点期 间，诸如在酷热的日子中，需求可W达到极限峰。
[0006] 公共事业公司具有处理对能量的可变需求的多种选项。他们可W例如通过建立额 外的发电厂来提高其对满足更高峰需求的能力。然而，运样做的成本通常过高并且建立运 种发电厂通常效率不高，因为新增的产能在一整年中仅用于短的持续期间。他们可W从其 他公共事业公司或者能源提供商购买附加产能，但运样做同样是高成本，因为运种公司可 能收取额外费用并且从运些其他公司传输能量通常效率较低。替代增加供给，公共事业公 司还可W通过经由减载（loadshedding)减少需求而克服峰需求。
[0007] 减载是其中公共事业公司在峰需求时间段期间减少由其消费者所需的能源量的 技术。当今使用多种减载技术，其中多数是基于公共事业公司直接控制其消费者的冷却系 统。在运种峰需求时间段期间，公共事业公司控制冷却系统W减少其能量需求。运种事件最 常发生在极热日子的中午到午后并且具有大体范围在二至六小时的持续时间，运种事件在 文献中通过多种不同的名称而被引用，诸如减载事件、负载转移事件W及需求响应事件。公 共事业公司在进行运种事件中的目标不一定必须减少一整天中所消耗能源的总量，而是减 少该特定的二至六小时间隔中的峰需求，即在减载间隔或者需求响应间隔中的峰需求。典 型地，随着加入住家的冷却系统工作W使其冷却器恢复正常的设定点溫度，最终结果是应 在减载间隔中所消耗的能量反而在继减载间隔之后的数小时内被消耗。运种控制当然经常 对签约加入运一"需求响应计划"的消费者造成不便，因为其冷却系统可能未如预期般使其 住宅冷却。然而，作为运种不便的回报，消费者经常被给予一些好处，诸如对峰需求期之外 所消耗的能量的更优惠的费率。
[0008] 一种常见的减载技术，常被称为直接负载控制，设及于减载时间段期间在公共事 业公司的直接控制下对每一加入的消费者的冷却系统供电的周期性开关循环。在运一方法 中，可远程控制的开关被安装于每一消费者的冷却系统上并且能够操作W在公共事业公司 的直接控制下对冷却系统断电。对冷却系统的供电则可W由公共事业公司来直接控制，W 便使其在峰需求时间段期间的定期固定时间间隔中关闭。然而，由于直接的负载控制导致 消费者对其冷却系统缺乏控制并且经常导致令消费者感到不适的室内溫度，因此消费者可 能会对运一技术表现出某种程度的厌恶。在公共事业公司与开关之间通信链路的缺乏能够 使问题恶化，使得从公共事业公司到开关对冷却系统重新接电的命令丢失会导致冷却系统 不理想地停留在断连状态。运些问题已造成一些消费者通过绕开远程控制的开关来试图消 除在其冷却系统的控制而同时仍获得加入需求响应计划的好处。因此，虽然运种"舞弊者" 可能获取其期望的个体的冷却系统控制，但整体需求响应计划的效力会受到破坏。
[0009] 另一种所知的减载技术设及由公共事业公司对每一加入的消费者的恒溫器的设 定点溫度的远程控制，其中公共事业公司将共同的回调（se忧ack)值发送至加入消费者的 恒溫器。在减载时间段期间，加入的恒溫器会将室内溫度控制成比正常排程的溫度设定点 值高出回调量的溫度设定点值。由公共事业公司的该控制通常会导致环境溫度比消费者在 其他情况下所感受的舒适度更低，但提供了兼顾能量和成本节约的益处。虽然在由公共事 业公司对冷却系统供电的直接开/关循环中提供了增加舒适度和接受度的可能性，但该技 术可能具有包括缺乏消费者的控制W及公共事业公司缺乏将回调值设为公共事业公司认 为适当的任意值的能力的缺陷。此外，对全部消费者使用单个回调值无法识别舒适度感知 中的差异、住宅热特性中的差异、冷却系统的冷却能力中的差异、W及在加入消费者的基础 之间的其他差异。
[0010] 化wardNg的美国专利公布号2012/0053745号论述了一种用于在减载事件期间 建立负载控制的系统和方法。具体地，Ng论述了一种允许消费者或者公共事业公司在直接 负载控制计划下控制最高溫升的技术。消费者可W在其恒溫器上设置舒适的范围，该范围 指示消费者感到舒适的从期望溫度的溫度范围。在减载事件期间，在炎热天气的示例中，激 活在空间调节（spaceconditioning)负载上的开关W便空间调节负载经受直接负载控制 (即固定宽度的工作循环）。空间调节负载经受直接负载控制，直至室内溫度超出舒适范围 的上限值，在该点将控制从直接负载控制转换成溫度回调控制。有关每一上述减载方法出 现的一个或多个问题至少部分被本文所述的一个或多个实施例所解决。通过示例，尽管直 接负载控制、溫度回调控制W及直接负载控制随后溫度回调控制的上述方法一般会于减载 事件期间横跨加入消费者的基础导致一些量的减少能源使用，运种对消费者基础的"一刀 切"方法能够导致错失大量更有效的负载转移W及减少消费者不便的机会。通过示例且并 非限制，运些问题和/或错失的机会能够出现在W下一个或多个方面：W更大的确定性预 测特定的减载策略对加入消费者的特定群体或者子群的影响；提高减载计划的容忍度和接 受度W便更多消费者会愿意加入；通过W下方式对消费者的特定群体或者子群优化减载策 略：（i)降低每单位转移的能量需求的消费者不适的量，W及/或者（ii)增加那些群体或 者子群的每"单位"消费者不适的所转移的能量需求量；更容易识别会是加入任何特定减载 事件的最佳候选的消费者群体或者子群；并且更容易评估对消费者的特定群体或者子群的 前述减载事件措施的有效性W便更好地优化未来的减载转移事件。如同本领域技术人员在 阅读本公开后将显而易见的，会出现其他一些问题。

【发明内容】

[0011] 公开用于执行需求响应值时事件的各种方法。根据一个实施例，一种用于经由与 建筑物（struc化re)相关联的智能联网恒溫器来执行DR事件的方法包括多种操作。运些 操作包括识别定义DR事件期的DR事件，并且确定采暖、通风和空调（HVAC)系统的优化的 控制轨迹，W在所述DR事件期期间奏效使成本函数最小化。所述成本函数可W是多种因子 的组合，诸如代表所述DR事件期期间的总能量消耗的第一因子、代表居住者不适的度量的 第二因子、化及代表所述DR事件期内的能量消耗率的离差的第Ξ因子。所述操作可W进一 步包括根据所确定的优化的控制轨迹来控制所述HVAC系统。
[0012] 在一些实施例中，所公开的方法可W进一步包括诸如确定所述DR事件期内的设 定点溫度分布（profile)的操作。运一确定可W包括多种子操作，诸如基于所预期的室内 溫度轨迹来计算所述DR事件期内的设定点溫度分布，W及识别所计算的设定点溫度分布 的峰和谷。在一些实施例中，所述方法还可W包括使得由所述设定点溫度分布所定义的设 定点溫度被显示给所述HVAC系统的用户。
[0013] 在一些实施例中，确定优化的控制轨迹可W包括多种操作。例如，运一确定可 W包括生成多个候选参数集，每一参数集表征所述DR事件的相关的候选设定点排程 (sche化le)。运一确定还可W包括识别所述多个候选参数集中的最优一个，所述最优参数 集是最优的原因在于，当将所述相关的最优设定点排程应用作为所述HVAC系统的基于预 测模型的仿真的输入时，其使成本函数最小化。
[0014] 本文还公开多种恒溫器。根据一些实施例，公开一种用于控制智能住家环境中的 HVAC系统的操作的智能联网恒溫器。所述恒溫器可W包括多种组件。例如，所述恒溫器可 W包括能够操作W启动所述HVAC系统的一个或多个元件的HVAC控制电路，W及用于测量 所述智能住家环境的特性的一个或多个传感器。所述恒溫器还可W包括禪合至所述HVAC 控制电路W及所述一个或多个传感器的处理器，其能够操作W使得所述恒溫器执行多种操 作。运些操作可W包括，例如，识别定义DR事件期的DR事件，并且确定HVAC系统的优化的 控制轨迹，W在所述DR事件期期间奏效使成本函数最小化。所述成本函数可W是因子的组 合，诸如代表所述DR事件期期间的总能量消耗的第一因子、代表居住者不适的度量的第二 因子、W及代表所述DR事件期期间的能量消耗率的离差的第Ξ因子。所述操作可W还包括 根据所确定的优化的控制轨迹来控制所述HVAC系统。
[0015] 在一些实施例中，所述处理器可W进一步能够操作W使得所述恒溫器执行附加的 操作。运些操作可W包括确定是否应根据不同的控制轨迹来控制所述HVAC系统，并且在确 定应根据不同的控制轨迹来控制所述HVAC系统后：识别后续的控制轨迹，并且根据所述后 续的控制轨迹来控制所述HVAC系统。
[0016] 运些操作可W还包括监视所述建筑物的室内溫度，将所监视的所述建筑物的室内 溫度与预测的所述建筑物的室内溫度进行比较，并且在确定所监视的室内溫度与所述预测 的所述建筑物的室内溫度相差至少一定量时执行各种操作。运些操作可W包括例如确定默 认的控制轨迹并且根据所述默认的控制轨迹来控制所述HVAC系统。
[0017] 运些操作可W还包括监视所述HVAC系统的状态，将所监视的所述HVAC系统的状 态与预测的所述HVAC系统的状态进行比较，并且在确定所监视的室内溫度与所预测的建 筑物的室内溫度相差至少一定量时执行各种操作。运些操作可W包括，例如，确定使所述成 本函数最小化的重新优化的控制轨迹，并且根据所述重新优化的控制轨迹来控制所述HVAC 系统。
[0018] 本文还公开计算机可读存储介质。根据一些实施例，公开一种有形的非暂时性计 算机可读存储介质，包括当由计算机处理器所执行时使得所述计算机处理器执行操作的指 令。运些操作可W包括识别定义DR事件期的DR事件，并且确定采暖、通风和空调（HVAC) 系统的优化的控制轨迹，W在所述DR事件期期间奏效使成本函数最小化。所述成本函数可 W包括，例如，代表所述DR事件期期间的总能量消耗的第一因子、代表居住者不适的度量 的第二因子、W及代表所述DR事件期内的能量消耗率的离差的第Ξ因子。所述操作可W还 包括根据所确定的优化的控制轨迹来控制所述HVAC系统。
[0019] 在一些实施例中，所述指令还使得所述计算机处理器执行附加操作。运些附加操 作可W包括：确定所述HVAC系统的原始控制轨迹，将优化的控制轨迹与原始控制轨迹进行 比较，基于所述比较来识别所述优化的控制轨迹与所述原始控制轨迹之间的相似性，W及 对于所述优化的控制轨迹中类似于所述原始控制轨迹的部分，使得由所述原始控制轨迹所 定义的溫度设定点被显示给所述HVAC系统的用户。
[0020] 为了更全面地理解本发明的实施例的本质和优势，应参考随后的详细描述和附 图。本发明的其他方面、目的和优势从下文的附图W及详细描述将显而易见。然而，本发明 的范围则完全从权利要求书的内容中显现。
【附图说明】
[0021] 图1图示根据实施例的用于实现需求响应计划W及事件管理的系统。
[0022] 图2图示根据实施例的智能住家环境的示例，在其中可W实现用于实施需求响应 计划W及事件管理的系统的一部分。
[0023] 图3A图示根据实施例的通用设备组件的示例，其能够被包括于智能联网设备中。
[0024] 图3B图示根据实施例的具有可更换模块W及扩展站的智能联网设备。
[0025] 图3C图示根据实施例的智能联网设备的连接端口W及插线感应电路。
[0026] 图4图示根据实施例的可扩展设备W及服务平台的网络层视图，用于实施需求响 应计划W及事件管理的智能住家环境和系统能够与其集成。
[0027] 图5图示图4的可扩展设备W及服务平台的抽象功能视图。
[0028] 图6图示根据实施例的专用计算机系统的框图。
[0029] 图7图示根据实施例的用于在需求响应事件期间控制HVAC系统的流程。
[0030] 图8图示根据实施例的用于确定优化的控制轨迹的流程。
[0031] 图9A图示根据实施例的原始设定点溫度的排程，该原始设定点溫度是在确定优 化的控制轨迹之前所定义的排程的设定点溫度。
[0032] 图9B图示根据实施例的由参数集所表征的候选设定点溫度的排程。
[0033] 图9C图示根据实施例的第一参数、第二参数与溫度设定点的线性序列之间的关 系。
[0034] 图9D图示根据实施例的对应于候选设定点溫度的排程的候选占空比（化ty 巧cle)排程。
[0035] 图10A图示根据实施例的由最优设定点排程的实施而产生的预测的HVAC占空比。
[0036] 图10B图示根据实施例的由原始设定点排程的实施而产生的预测的HVAC占空比。
[0037]图11A图示根据实施例的由最优排程的实施而产生的所预期的室内溫度分布。 [003引图11B图示根据实施例的相对于所预期的室内溫度分布的有效设定点溫度。
[0039]图12A和12B图示根据实施例的可W被呈现给能量消费者的简化式图形用户界面 脚I)。
【具体实施方式】 W40] 本发明的实施例大体上设及用于在需求响应事件期间控制HVAC系统的技术。在 需求响应事件期间用于控制HVAC系统的系统中的实体，通常包括将电力或其他形式的能 量从动力源（例如发生器）提供给个人的住家或营业所的公共事业提供方。个人通常定期 支付他们消耗的能源量，例如按月支付。在许多实施例中，将能量管理系统布设于公共事业 提供方与个人之间。能量管理系统操作W智能化并且有效地将个人的能量消耗从一个特定 时期转移至其他时期。通常执行运种能量转移W使能量消耗从高能源成本期转移至低能源 成本期。在DR事件的情况下，将能量从DR事件期转移至DR事件期之外的时期。在一些情 况下，运种能量转移可W通过努力减少电网上的峰负载而被促动。在其他情况下，运种能量 转移可W通过公共事业公司在特定（例如高成本）时期中想将能源供应售给其他公共事业 公司而非售给该公共事业公司自己的消费者而被促动。
[0041]在任一情况下，在许多实施例中，终端用户（即能量消费者）可W被提供有关于在DR事件期期间如何控制其能量消耗设备（例如其HVAC系统）的空前水平的控制。能量消 费者可W选择对居住者不适感的最小干扰，运可能造成能量消耗的最小减少，或者可W选 择能量消耗的最大减少，运可能造成对居住者不适感的较大干扰，或者可W选择二者之间 的某种减少。运一选择可W在DR事件开始之前或者在DR事件期期间作出，并且在一些情况 下可W在DR事件期间被修改。基于用户的选择，可W生成最适当的HVAC控制轨迹W达到 该用户所定义的目标。另外，在许多实施例中，最适当的HVAC控制轨迹可W优化多种HVAC 控制特性，诸如预冷期的持续时间、在整个DR事件期中可应用的溫度回调的量、W及HVAC 的最大占空比。运些HVAC控制特性的独立和联合控制在2013年3月15日提交的序列号 13/842,213(参考号：肥S0253-U巧的美国申请中进一步描述，其全部内容通过引用并入本 文中用于所有目的，在此文中所述的实施例包括用于基于包括但不限于对能量消耗的减少 与舒适度的用户偏好的大量数据来确定对运些HVAC控制特性的最佳选择的技术。
[0042]根据许多实施例的能量管理系统包括位于个人的住家或营业所的智能联网恒溫 器。运种恒溫器能够获得各种有关住宅的信息，诸如住宅的保暖特性、与住宅相关联的HVAC 对制冷或加热住宅的能力（capacity)、住宅被居住的可能性（经由居住传感器经过一段时 间后能够建立居住概率分布）、预测的天气、实时天气、实时居住等。此外，恒溫器能够由其 用户编程或者可W经过一段时间后了解其用户对设定排程的溫度设定点的偏好和习惯。在 示例实施例中，与个人住家和营业所的相应群体相关联的运种联网恒溫器的群体被配置成 与由一个或多个云服务提供方所管理的一个或多个中央服务器通信。每一联网恒溫器都 与由云服务提供方所管理的一个或多个账号相关联，并且视需要在每一联网恒溫器与中央 服务器之间往复发送数据用于提供各种有利功能，诸如促进遥控、报告天气数据、报告HVAC 控制数据和状态信息、W及提供有助于实现本文所述的DR相关、分时定价（TOU)相关、和/ 或实时定价功能的集中和/或局部集中的控制和数据通信。
[0043] 应领会的是，尽管本文中的一些实施例可能特别适合W及有利于商业场景，其中 (i)与联网恒溫器的群体相关联的云服务提供方也是所述能量管理系统的提供方，（ii)能 量管理系统的提供方是独立且不同于公共事业本身的企业实体，并且（iii)能量管理系统 作为增值服务被提供给公共事业公司，但本说明书的范围绝非限定于运类场景。在其他可 应用的场景中，例如，能够由公共事业公司提供全部元件。在其他可应用的场景中，能够由 公共事业公司提供一些元件，而能够由政府实体或者由完全不同的合作企业或联营企业的 混杂联合提供其他元件。在DR事件之前，基于能量管理系统关于其正管理的住宅所具有的 大量信息，能量管理系统能够有效预测住宅诸如在DR事件中的给定时期内有可能消耗多 少能量。此外，鉴于有关住宅的大量信息，能量管理系统还可W对住宅的原始恒溫器设定点 产生变化，其能够在DR事件期间实现。能够作出运些变化，W便该住宅在DR事件期中消耗 更少的能量。更进一步，由于能量管理系统关于住宅具有运种大量信息，能量管理系统还可 W精确预测在DR事件期中可能被减少或者换言之从DR事件期被转移至DR事件期之外（例 如峰肩（shouldering))的一个或多个时期的能源量。
[0044] 对于运种能量消耗预测和管理的前述措施带来许多进一步如下所述的优势。例 如，所述措施不仅允许能量管理系统有效管理数个相联住宅的能量消耗，而且它们还允许 能量管理系统智能化地从加入DR计划或者事件的大池中选择住宅的子集。住宅的物理特 性、住宅的地理特性、W及那些住宅的居住者的习惯趋向跨地区差异巨大，因此潜在的能量 节约/转移也大相径庭。在本文中所公开的能量管理系统可W智能化地选择能量节约计划 中的加入