用于调节加热和/或冷却系统的装置和方法与流程

1.根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于调节加热和/或冷却系统的装置。特别地，其说明了用于调节建筑物的加热和/或冷却系统的装置和方法，以在提高能量性能的同时保持舒适的环境条件。本发明还涉及一种加热和/或冷却系统，例如屋顶系统等。


背景技术：

2.优化建筑物中的环境舒适性是目前越来越重要的主题。科学文献包括大量的研究工作，表明了与舒适性相关的几个方面，特别是热性能和空气质量，是如何与居住者的身体健康及其工作环境中的生产力成正比的。
3.欧洲uni en 15232-1:2017标准将开环调节确定为设计建筑物自动化和控制系统(bacs)的标准案例。所述标准规定了建筑物控制、自动化和管理功能，分类并定义了这些功能的技术要求，并且估计了其对能量性能的影响。特别地，其估计从标准最低系统调节功能(在说明书中被定义为c级)切换到高级调节功能(a级)导致非住宅建筑物节能高达50％，并且住宅建筑物节能约20％。
4.利用标准开环调节(c级)，加热和/或冷却系统根据室外温度调节生成和分配系统的运行。在热流体系统中，例如，在生成阶段，被输送到回路的水的温度基于室外温度数据而变化，室外温度数据通过温度传感器传送到系统。例如，传统锅炉的功率通常根据室外温度补偿曲线来调节：在室外温度为0℃的情况下，水被加热到80℃；在室外温度为12℃的情况下，水被加热到60℃。在分配阶段，由生成系统产生的热/冷水与再循环水混合，以便向建筑物分配系统输送根据室外温度确定的温度的水。在这种情况下，生成系统需要在建筑物分配系统中的水生成阶段的下游和水分配阶段的上游存在外部温度传感器和混合阀。
5.达到由uni en 15232-1:2017标准定义的a级，即高能效，所需的系统控制逻辑中的变化假设生成和分配系统是基于建筑物的实际需求来控制的，因此获得闭环调节，其中室内环境条件既是系统管理的结果又是系统管理的输入。根据所述标准，对于加热和冷却系统，从c级(开环)调节切换到a级(闭环)调节导致显著的节能，这可能会根据建筑物类型和负载分布而变化。例如，据估计，在办公建筑物中，a级控制逻辑确保加热节能30％，冷却节能43％。
6.尽管现代热力系统实现先进的集成控制和调节系统，但是大多数现有建筑物配备有根据基于标准值而不是环境的实际要求的控制逻辑而调节的系统(开环控制)，这对室内环境条件和系统的能效具有潜在的不利影响。根据建筑物的特定用途、安装的系统类型以及占用时间和模式，有几种用于控制环境参数的选择。然而，当使用当前的控制系统时，维持环境中诸如温度、湿度和污染物浓度的参数的期望值既不简单也不便宜。尽管闭环控制(a级)具有高的节能潜力，但是由于其对现有控制逻辑的更改将需要对系统中已经安装的控制单元进行复杂且昂贵的升级，因此通常不在现有系统中实施。
7.本技术人的欧洲专利申请第ep3211340涉及一种用于调节建筑物的热流体系统的
电子装置和方法。这种装置作用于设施的分配系统，操作生成系统下游的混合阀的闭环调节。
8.本领域已知的能源管理系统存在大量缺点，这将在下文中进行说明。
9.第一个缺点与以下事实有关，即没有用于设施的生成系统的闭环控制系统，导致生成系统的能耗较高。
10.另一缺点与以下事实有关，即分配系统的闭环控制没有与设施中的生成系统集成。


技术实现要素：

11.因此，本发明的一个目的是解决现有技术的这些和其他问题，并且特别地，提供用于调节加热和/或冷却系统的装置及相关方法，其允许使用用于设施的生成系统的闭环控制系统，以便降低其能耗。
12.本发明的另一目的是提供用于调节加热和/或冷却系统的装置及相关方法，其允许将分配系统的闭环控制与设施的生成系统集成。
13.本发明的另一目的是提供用于调节加热和/或冷却系统的装置及相关方法，其使得对于任何类型的建筑物简化从性能较低的控制逻辑(通常为c级或更低)到a级控制逻辑的切换成为可能，从而获得估计的节能潜力。
14.本文描述的发明包括用于调节加热和/或冷却系统的装置及相关方法，其允许与设施的例如锅炉、制冷器、热泵、屋顶装置等的生成系统通信，并实时调节其功率。
15.本发明的其他有利特征在所附权利要求中进行陈述，其作为本描述的组成部分。
附图说明
16.现在将通过特别参照附图的一些非限制性示例性实施例来详细描述本发明，其中：
[0017]-图1示意性示出根据本发明的实施例的加热和/或冷却系统的示例，其包括用于调节这种系统的装置；
[0018]-图2示出用于调节图1的系统的装置的说明性框图；
[0019]-图3示出由图2的装置执行的操作的说明性框图；
[0020]-图4示出由图1的系统实现的用于调节加热和/或冷却系统的方法的说明性流程图。
具体实施方式
[0021]
参照图1，示意性地示出了服务于建筑物141的加热和/或冷却系统100，建筑物141例如是共有建筑物、体育馆、购物中心、工厂、仓库等，所述建筑物141包括至少一个环境140。系统100包括管理系统101、生成系统120和分配系统130。生成系统120、分配系统130和建筑物141的至少一个环境140通过例如管道的第一导管125和第二导管135可操作地连接，用于输送例如蒸馏水的传热流体。通过使用根据本发明的至少一个用于调节这种系统100的装置110，系统100适于根据闭环范例(a级)加热或冷却建筑物141的一个以上的环境140，这将参照图2进行详细描述。
[0022]
管理系统101适于根据开环范例(c级)管理系统100。根据这种范例，管理系统101生成主信号105，主信号可以是例如0到10v范围内的电压值。主信号105由管理系统101基于预定(标准)值生成，预定(标准)值可以取决于待加热或冷却的环境140的物理特性，例如环境140的热容量、传热系数之类的。管理系统101可以是例如建筑物管理系统(bms)，并且可以由为了管理根据开环范例的系统100专门设计的计算机和/或电子装置来实现。
[0023]
本发明的装置110可操作地连接到所述管理系统101与所述生成系统120之间，并且使得根据闭环范例(a级)控制系统100成为可能。所述装置110适于：
[0024]-从管理系统101接收主信号105；
[0025]-接收代表所述建筑物141的期望参数的至少一个参考信号106；
[0026]-接收代表与所述建筑物141相关的至少一个参数的至少一个环境信号145；
[0027]-接收代表与生成系统120相关的参数的控制单元信号126。
[0028]
优选地，例如，参考信号106可以是代表例如由建筑物141的用户设置的温度值的电压值。
[0029]
环境信号145可以是例如代表与建筑物141的至少一个环境140相关的至少一个环境参数的电压值。所述至少一个环境参数可以是例如由位于建筑物141中的传感器装置测量的温度、相对湿度、二氧化碳水平等的值。传感器装置可以是例如热电偶、热电阻等。
[0030]
控制单元信号126可以是例如代表与生成系统120相关的至少一个参数(例如由位于生成系统120中的传感器装置测量的传热流体的至少一个温度和/或压力值之类的)的电压值。
[0031]
装置110适于输出用于生成系统120的控制信号115。控制信号115可以是例如电压值，例如从0到10v。控制信号115由包括至少一个模糊逻辑算法的程序基于主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126确定，这将参照图3详细描述。控制信号115被发送到生成系统120，以根据主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126来有效地调节其功率，并因此调节传热流体输送温度。
[0032]
以这种方式，装置110有利地使得根据实际瞬时热负荷需求来调节生成系统120的功率成为可能，因此确保系统100的效率的高百分比增加。同样，很显然，在系统100中没有所述装置110的情况下，由管理系统101输出的主信号105将被直接输入到生成系统120，因此不利地实现了根据开环范例的系统109的控制，这低于根据本发明中描述的闭环范例的控制的效率。
[0033]
生成系统120适于例如通过使用锅炉、制冷器、热泵、屋顶装置等生成用于加热或冷却建筑物141的热流。根据输入到生成系统120的控制信号115，通过使用能源来生成热流。例如，当系统100适于加热建筑物141时，生成系统可以包括锅炉。锅炉可以包括例如燃烧器和容纳传热流体(例如蒸馏水)的罐。燃烧器适于加热罐中的传热流体，直到它达到基于控制信号115确定的给定温度。为此，燃烧器可以使用诸如液态丙烷气、甲烷的燃料。生成系统120适于通过所述第一导管125将被适当加热的传热流体输送到分配系统130。
[0034]
当系统100适于冷却建筑物141时，生成系统可以包括制冷器，制冷器适于冷却传热流体，直到其达到基于控制信号115确定的给定温度。生成系统120适于通过所述第一导管125将被适当冷却的传热流体输送到分配系统130。
[0035]
分配系统130适于分配离开生成系统120以加热或冷却建筑物141的热流。分配系
统130可以包括可由管理系统101控制的泵、导管、阀门。离开所述分配系统130的热流通过所述第二导管135被传送到建筑物141的一个以上的环境140。每个环境140可以包括适于交换从分配系统130接收的热流的一个以上的设备，所述设备例如是散热器、调节器等。
[0036]
在另一实施例中，分配系统130可以包括根据上述欧洲专利申请第ep3211340号中讨论的发明的可控的泵、导管、阀门。
[0037]
参照图1的系统，图2示出用于调节系统100的装置110的说明性框图。所述装置110可以包括接口装置210、通信装置220、用户接口装置230、存储器装置240和处理装置250。这些装置可以经由通信总线201互相连接。
[0038]
接口装置210适于与所述管理系统101、生成系统120、分配系统和至少一个环境140建立至少一个通信信道，以便接收主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126，以及发送控制信号115。所述接口装置210可以包括例如modbus、bacnet、mbus、canbus、rs232、rs485接口，或者适于使用例如电压或电流信号的模拟和/或数字接口。
[0039]
通信装置220适于将由装置110处理的信息发送到装置110外部的装置，例如管理系统101的通信单元，和/或远程服务器之类的。所述通信装置220可以包括例如以太网(ethernet)接口、wifi接口、gsm接口等。所述通信装置220可以建立到例如智能手机、平板电脑等的远程设备的连接，以管理和监测系统100。
[0040]
用户接口装置230允许用户与装置110交互。它们可以包括，例如分别是显示器和字母数字键盘的输出和输入装置，或者可替代地，显示字母数字键盘和交互式符号的触摸屏。在本发明的另一实施例中，用户接口装置230可以包括用于与装置110外部的终端通信的通信接口，例如rs232、usb等接口。装置120外部的终端可以是例如由用户或操作者控制的智能手机。
[0041]
存储器装置240允许存储由装置110接收的信息和实现本发明的本实施例的指令；存储器装置240可以包括例如闪存型固态存储器。信息可以包括用于调节系统100的值和/或参数的集合，例如生成系统120和/或所述分配系统的运行状态，和/或与生成系统120、分配系统和至少一个环境140相关的几个物理量的值，例如温度、电流、电压等的值。下面将参照图4的流程图详细描述存储在存储器装置240中的指令。
[0042]
处理装置250允许处理存储在存储器装置240中的信息和指令，并且可以包括例如arm处理器、arduino微控制器等。
[0043]
参照图3，以下将描述由图2的装置110执行的操作的说明性框图，特别地，在温度调节处理期间，用于调节建筑物141的温度。
[0044]
装置110适于根据主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126，优选地基于模糊、类模糊pid(fuzzy pid like)或可选地基于模糊pid算法来实现调节处理。与布尔逻辑不同，模糊算法，也称为多值逻辑算法，能够处理不明确、不精确、没有精确定义的内容。与基于两个真值，即真或假(1或0)的布尔逻辑相反，在模糊逻辑中，变量的真值可以是部分真或部分假，而不一定是完全真或完全假；因此，变量的真值被量化为包括在0与1之间的数。模糊逻辑允许经由从共同经验导出的概念的形式化来实现系统的调节。这些类型的调节算法性能良好，不需要控制系统的复杂数学模型。模糊逻辑不需要对类似于在本发明范围内描述的系统中通常难以确定的参数进行估计。
[0045]
根据图3，由装置110经由例如所述接口装置210接收参考信号106，参考信号106代表例如用户定义的参考温度值tr。所述处理装置250被配置为执行由求和块311代表的差运算。然后，处理装置250确定所述环境信号145与参考信号106之间的误差e1(t)，所述环境信号145代表例如由热电阻测量的建筑物141的室内温度ti。处理装置250被配置为对误差e1(t)执行由推导块321表示的推导运算de1(t)/dt。然后，处理装置250被配置为执行第一模糊控制器块331，其接收误差e1(t)、其一阶导数de1(t)/dt以及由装置110例如经由所述接口装置210接收的主信号105作为输入。然后，处理装置250基于至少一个模糊逻辑蕴涵生成模糊值f1(t)，作为第一模糊控制器块331的输出。
[0046]
类似地，所述处理装置250被进一步配置为执行由求和块312表示的差运算。然后，处理装置250确定控制单元信号126与参考信号106之间的误差e2(t)，例如控制单元信号126代表例如由热电偶测量的生成系统120的传热流体tv的温度。处理装置250被配置为对误差e2(t)执行由推导块322表示的推导运算de2(t)/dt。然后，处理装置250被配置为执行第二模糊控制器块332，其接收误差e2(t)、其一阶导数de2(t)/dt以及由装置110例如经由所述接口装置210接收的主信号105作为输入。然后，处理装置250基于至少一个模糊逻辑蕴涵生成模糊值f2(t)，作为第二模糊控制器块332的输出。
[0047]
由所述第一模糊控制器块331和第二模糊控制器块332实现的模糊蕴涵不是本发明的目的，而是基于文献中已知的算法来确定的，例如，在servet soyguder、mehmet karakose、hasan alli、elsevier的文章“design and simulation of self-tuning pid-type fuzzy adaptive control for an expert hvac system(用于专家hvac系统的自整定pid型模糊自适应控制的设计和模拟)”，expert systems with applications(专家系统与应用)36(2009)4566
–
4573，或a.k pal和r.k.mudi的文章“self-tuning fuzzy pi controller and its application to hvac systems(自整定模糊pi控制器及其在hvac系统的应用)”，international journal of computational cognition(国际计算认知杂志)(http://www.ijcc.us)，第6卷，第1期，2008年3月，中所描述的。
[0048]
在本发明的本实施例中，所述第一模糊控制器块331和第二模糊控制器块332可以实现等价的模糊逻辑，或者可替代地，实现不等价的模糊逻辑。
[0049]
处理装置250被配置为根据例如通过选择模糊值f1(t)、f2(t)中的最高值的预定义标准，从两个以上的所述模糊值f1(t)、f2(t)中选择一个模糊值，该选择由选择块340表示。
[0050]
处理装置250被配置为经由所述接口装置210从选择块340输出用于生成系统120的控制信号115。从本描述显而易见的是，控制信号115是基于主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126确定的。
[0051]
在本发明的其他实施例中，包括求和块311、312、推导块321、322以及第一和第二模糊控制器块331、332的功能图可以根据输入到装置110的信号的数量来复制，以便生成两个以上的模糊值f1(t)、f2(t)。
[0052]
在本发明的另一实施例中，参照图3描述的操作可以由可操作地与装置110通信的所述远程服务器执行。
[0053]
如图4所示，以下将参照图2的装置110和图3的框图描述用于调节加热和/或冷却系统100的示例性方法。
[0054]
在步骤400，执行初始化装置110的步骤，以使其进入运行状态。在该步骤期间，例如，处理装置250验证装置110的运行状态。
[0055]
在步骤410，处理装置250被配置为执行接收步骤。在该步骤期间，处理装置250经由所述接口装置210接收：
[0056]-来自所述管理系统101的主信号105；
[0057]-代表所述建筑物141的期望参数的至少一个参考信号106；
[0058]-代表与所述建筑物141相关的至少一个参数的至少一个环境信号145；
[0059]-代表与生成系统120相关的参数的控制单元信号126。
[0060]
在该步骤期间，所述主信号105、至少一个参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126的信息可以至少部分地存储在存储器装置240中，然后由处理装置250处理，例如以识别系统100中的任何故障。
[0061]
在步骤420，处理装置250被配置为执行模糊生成步骤。在该步骤期间，如参照图3的示例所述的，处理装置250根据主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126，基于至少一个模糊逻辑蕴涵生成两个以上的模糊值f1(t)、f2(t)。
[0062]
在步骤430，处理装置250被配置为执行选择步骤。在该步骤期间，处理装置250根据例如所述模糊值f1(t)、f2(t)中的最高值的预定义标准，从在步骤420生成的所述两个以上的模糊值f1(t)、f2(t)中选择一个模糊值。
[0063]
在步骤440，处理装置250被配置为执行输出步骤。在该步骤期间，处理装置250经由所述接口装置210输出用于生成系统120的控制信号115，作为在步骤430描述的所述选择步骤的结果。显然，控制信号115是基于主信号105、参考信号106、至少一个环境信号145和控制单元信号126确定的。
[0064]
在步骤450，处理装置250验证是否应该终止所述接收、生成、选择和输出步骤，例如因为在所述接收、生成、选择和输出步骤中的至少一个期间发生了错误。如果是，处理装置250将执行步骤460，否则将执行步骤410。
[0065]
在步骤460，处理装置250执行终止所述接收、生成、选择和输出步骤所需的所有操作。在该步骤期间，处理装置250可以例如通过发光指示器来通知装置110的非运行状态，发光指示器是诸如包括在装置110自身中的led警告灯。
[0066]
从上述描述，本发明的优点是显而易见的。
[0067]
本发明的用于调节加热和/或冷却系统的装置及相关方法有利地允许在最初根据开环范例设计的系统中，通过可以容易地安装在系统中的传感器来实现闭环控制范例。
[0068]
本发明的另一优点是，通过在系统中安装传感器和使用本发明的装置，它将根据开环范例运行的加热和/或冷却系统转换为根据闭环范例运行的系统，同时有利地简化了系统升级处理，因此降低了其成本。
[0069]
当然，在不损害本发明的原理的情况下，实施例的形式和实现细节可以从本文仅通过非限制性示例描述和示出的那些进行广泛的变型，而并不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的保护范围。