预测性自由冷却的制作方法

本申请要求于2016年1月12日提交的申请号为62/277,883的美国临时专利申请的优先权，该专利申请的内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。

背景技术：

通过具有软件可执行算法的建筑物自动化系统(BAS)已经实现了控制建筑物的能量消耗，尤其是HVAC系统的能量消耗，所述软件可执行算法结合了与装备操作特点对应的数值常数值。图1示出了BAS与HVAC系统进行交互，其中在接收到控制设置的同时将HVAC系统内的实时操作条件发送到BAS。

HVAC系统的装备可以包括但不限于冷却器(chiller)、泵、冷凝器、锅炉、空气处理机、加热器、终端单元等。BAS使用的值通常在HVAC系统的安装期间被编程并且根据当地气候和周围环境条件来设置。针对当地气候和租户舒适度投诉的预期变化，这些值可以通过手动评估和重新编程BAS来周期性地改变。

过去的HVAC系统在设计和安装时没有考虑能量效率。随着能源成本的上升和对保护环境的更加重视，客户现在正在寻求降低能耗。处理HVAC系统内的能量效率的其他发明需要长时间才能实现、需要大量的前期成本、需要对原始BAS或HVAC系统进行大量硬件修改、并且需要专业技能用于安装、维护、更新以及甚至是客户使用。这些常规系统可能需要频繁的更新和维修。客户常常需要大量训练才能自己执行此类更新和维修。通常，这些系统还可能需要对每个不同的HVAC系统进行独特的修改，这增加了每个安装的成本和复杂性。另外，常规的BAS在处理、交换和计算数据方面的能力一般是资源有限的。

自由冷却(free cooling)是使用低外部空气温度来辅助冷却水的经济方法，该方法然后可以用于绿色数据中心中的空调系统或工业处理。当周围环境空气温度下降到设定的温度时，调节阀门允许全部或部分冷却水绕过现有的冷却器并通过自由冷却系统，该系统使用较少的功率并使用较低的周围环境空气温度来在不损害冷却要求的情况下冷却系统中的水。

自由冷却(水侧节约)是用于降低复杂冷却系统中的总能量消耗的有效工具。但是，在实践中，可能难以有效地实现自由冷却，并且常常涉及确定何时打开和关闭方面的猜测。

由于缺乏精确的信息，操作者倾向于避免使用自由冷却来最小化耗费突然重启冷却器所消耗的额外能量的可能性。当使用自由冷却时，同样是由于缺乏精确的数据，它常常效率低下并且风扇泛滥。

附图说明

下面参考以下附图来详细描述本发明的优选实施例和替代实施例：

图1是根据常规环境控制系统的在没有外部应用的情况下与HVAC系统交互的建筑物自动化系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的具有与建筑物自动化系统进行通信的外部应用以控制HVAC系统的能量消耗的环境控制系统的示意图；

图3是根据本发明实施例的图2的环境控制系统的通信和操作的方框逻辑图；以及

图4是根据本发明实施例的与图3的环境控制系统相关的自由冷却功能的通信和操作的方框逻辑图。

具体实施方式

本专利申请旨在描述本发明的一个或多个实施例。应当理解的是，绝对术语(诸如“必须”、“将”等)以及具体数量的使用应当被解释为适用于一个或多个这类实施例，但不一定适用于所有这类实施例。因此，本发明的实施例可以省略或包括对在这种绝对术语的上下文中描述的一个或多个特征或功能的修改。

根据一个或多个实施例，软件或计算机可执行指令与计算机可读介质的组合导致装置或机器的创建。类似地，根据实施例，处理设备执行软件或计算机可执行指令导致机器或装置的创建，这可以与处理设备本身区分开。

对应地，应当理解的是，计算机可读介质通过在其上存储软件或计算机可执行指令进行变换。同样，处理设备在执行软件或计算机可执行指令的过程中变换。此外，应当理解的是，作为这种执行的结果，在处理设备执行软件或计算机可执行指令期间或与之相关联地输入到处理设备的第一数据集合被变换成第二数据集合。随后该第二数据集合可以被存储、显示或以其它方式传送。在上述每个示例中提到的这种变换可以是计算机可读介质的部分的物理更改的结果，或者可以以其它方式涉及该物理更改。在上述每个示例中提到的这种变换也可以是例如在由处理设备执行软件或计算机可执行指令期间与处理设备相关联的寄存器和/或计数器的状态的物理更改的结果或以其它方式涉及该物理更改。

如本文所使用的，“自动”执行的处理可以意味着该处理是作为机器执行的指令的结果而被执行的，并且除了建立用户偏好之外，不需要手动操作。

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对本发明的各种实施例的透彻理解。但是，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。在其它情况下，与HVAC系统和各个HVAC部件、建筑物气候或环境控制系统、建筑物自动化系统(BAS)以及各种气候控制或环境控制处理、参数及其操作相关联的众所周知的结构没必要示出或详细描述，以避免不必要地模糊本发明实施例的描述。

实施例通过外部与HVAC系统的BAS进行交互来将能量优化计算与装备控制功能分离。在一个实施例中，诸如外部应用之类的优化模块位于全局控制设备中，但是可以被容纳在包括内部微处理器的另一个硬件设备中。外部应用与BAS进行通信，BAS进而与HVAC系统进行通信。外部应用运行处理实时HVAC系统数据的软件子例程或模块，然后提供由BAS读取的数据，BAS进而提供指令以将各种HVAC系统部件指引到新的或期望的设定点(例如，用于建筑物区域的新温度设定、用于泵或风扇的新流率等)。外部应用的一个特定实施例包括用于通过读取、处理和修订各种参数、数据和设定点来优化或试图优化HVAC系统的总能量效率的方法。

在一个实施例中，HVAC系统可以包括在BAS的控制下的冷却器机组(plant)装备。BAS的一些职责包括装备控制功能：超前/滞后转换、装备故障监视、装备启动、装备关闭、报警识别和通知，以及冷却器机组的故障转换顺序。

每当冷却器机组外部的湿球温度下降到所需的冷却水设定点以下时，可以使用自由冷却来节省能量。由于例如减少通风空气的除湿负荷和提高冷却塔的效率，可以实现这种能量节省。实施例提供预测性自由冷却功能。预测性自由冷却允许使用天气预报(例如，通过网络接收和/或手动输入的数据，描述在预定和/或可选择的时间间隔内并且在待冷却的结构外部的所预测的环境空气温度)作为输入来确定自由冷却是应当被请求还是自动实现。

实施例结合了天气预报数据，该数据基于外部空气湿球阈值准确地预测自由冷却可用性。当周围环境外部温度低于最小自由冷却窗口时段的阈值并且当前机组条件允许自由冷却操作时，实施例可以通知操作者自由冷却是可用的。这个处理也可以自动发生，其中实施例在没有操作员干预的情况下启用和/或禁用自由冷却模式。预测性自由冷却是可配置的，从而允许基于地点的具体要求来调整外部空气湿球阈值和最小自由冷却窗口时段二者。实施例可以生成月度报告，这些给出对可用的自由冷却时间、激活的自由冷却时间以及否则将可用时失去的自由冷却时间的洞察。

预测性自由冷却增加了确保存在天气可用性窗口的能力；没有它，只能使用当前条件。通过提前提供这种精确的天气条件数据，通过关闭和重启冷却器低效地耗费能量的可能性被最小化。换句话说，冷却器可以仅在如果根据天气预报，周围环境空气温度条件将持续足够长的时间以创建超过重启冷却器所需能量的自由冷却能量节省的时候才被关闭。这后一种确定通常可以是与所讨论的冷却器相关的特定吨位、流率和/或当前湿球温度设定点(统称为“自由冷却窗口数据”)的函数。

结果是通过增加使用自由冷却和提高系统操作效率来降低总体能量消耗。通过在实施例中充分利用实时操作数据，系统随着时间学习并改进，从而允许操作者更经常地并以最佳效率使用自由冷却。

提供图1是为了出于清晰的目的来图示包括建筑物自动化系统(BAS)102和HVAC系统104之间的交互的环境控制系统100。系统100不包括外部应用，因此它与现有或常规环境控制系统一致。在操作中，HVAC系统104内的实时操作条件106被传送到BAS 102，然后控制设置108(也称为设定点)能够被控制地从BAS 102传送到HVAC系统104。在这个系统中，装备控制功能和优化功能必须在BAS中混合。

图2示出了包括BAS 202和HVAC系统204之间的交互的环境控制系统200，其中如上所述，HVAC系统204内的实时操作数据206被传送到BAS 202。实时操作数据206可以包括装备操作条件，诸如但不限于电压、速度、温度和压力，下文中称为“实时操作数据”。此外，环境控制系统200包括外部应用210，外部应用210被配置为通过数据通信网络(未示出)与BAS 202进行通信。在一个实施例中，外部应用210与BAS 202之间的交互是利用逻辑接口完成的，该逻辑接口允许外部应用210从BAS 202进行远程交互并且可选地与其它BAS进行交互。外部应用210向BAS 202提供应用数据214。应用数据214可以包括用于HVAC系统204的操作参数，例如，应用数据214可以指示哪些HVAC部件当前应当运行、以什么速度运行等。HVAC装备的直接(例如，硬件级别)控制由BAS 202提供。从外部应用210提供给BAS 202的应用数据214可以优选地包括改变装备速度和定义新装备设定点的数据，但是附加数据也可以被提供。

BAS 202从HVAC系统204读取实时操作数据206。外部应用210与BAS 202进行交互以通过从BAS 202接收装备数据212然后使用软件算法处理装备数据212来实现HVAC系统204的能量节省，其中该软件算法计算或以其它方式确定HVAC系统204的期望操作设置。为了实现期望的操作设置，将应用数据214从外部应用210发送到BAS 202，BAS 202进而允许BAS 202根据从外部应用210提供的应用数据214来操作HVAC系统204。作为示例，BAS 202利用控制指令208操作HVAC系统204。在一个实施例中，外部应用210包括可编程的微处理器单元。

当与BAS 202进行交互时，外部应用210使用三种类型的数据，即，装备数据212、应用数据214和状态数据215。装备数据212包括最初由HAVC系统204提供的以及由BAS 202解释性修改的实时操作数据206。装备数据212可以采取与功耗、装备速度、供电温度、装备设定点、装备故障、运行状态等相关的数据的形式。BAS 202将装备数据212写入外部应用210。应用数据214包括由外部应用210处理并由BAS 202读取的操作参数。然后可以在由HVAC定义的期望操作和/或安全限制内对应用数据214起作用。应用数据214可以包括优化的设定点、优化的速度设定点、温度设定点等。在优选实施例中，在外部应用210提供应用数据214的同时，装备数据212被发送到外部应用210。状态数据215在BAS 202与外部应用210之间交换，使得每一个都可以访问另一个的当前状态。现有的BAS不像外部应用210那样具有必要的控制逻辑或计算能力用以执行，外部应用210包括更复杂的控制逻辑并且可能需要更多的计算能力。

图3示出了用于建筑物或其它结构400(图4)的环境控制系统300的逻辑图。控制系统300包括BAS 302、HVAC系统304和外部应用306。

BAS 302从HVAC系统304读取实时操作数据322并将数据322转换成BAS输入数据库324。BAS输入数据库324指向正常BAS控制序列320和装备数据316二者，其可以采用上述装备数据的形式。

缺省的BAS控制序列320被用于在没有外部应用306的情况下或者在外部应用306处于非操作或非通信模式时直接控制HVAC系统304。序列320是在外部应用306与BAS 302集成之前控制HVAC系统304的原始控制逻辑序列。虽然序列320可以以稳定的方式操作HVAC系统304，该方式可以包括但不限于稳态操作配置，应当理解的是，序列320可以不优化HVAC系统304的效率。

装备数据316被外部应用306的装备应用控制序列318利用，以处理装备数据316并确定期望的应用设置319。期望的应用设置319由应用格式化模块310格式化，以变成应用数据314。基于从外部应用就绪(ready)312接收的信号或数据来触发应用格式化模块310。

作为示例，外部应用就绪312(下文称为就绪312)通知应用格式化模块310外部应用306是否满足某些标准，使得就绪312然后可以允许应用格式化模块310将期望的应用设置319格式化为应用数据314。用于就绪的前进标准可以要求满足以下每一个，具体而言是(1)外部应用处于操作模式；(2)外部应用与BAS 302处于通信模式；(3)BAS是可操作的；以及(4)BAS 302期望从外部应用306接收指令以进行操作。

如果就绪312确定外部应用306是不可操作的、不存在与BAS 302的通信或者BAS 302不要求外部应用306进行操作，则就绪312通知应用格式化模块310将初始化数据311格式化为应用数据314。因此，就绪312通过内部状态检查来确定外部应用306是否可操作。就绪312经由状态数据315来确定与BAS 302的通信，并周期性地重新检查这个状态。就绪312确定BAS 302要求外部应用306经由状态数据315进行操作，状态数据315包括来自外部应用使能308的信号。

如果应用数据314被BAS使用，则初始化数据311可以包括用于以最小稳定级别操作HVAC系统的应用设置。初始化数据311可以被利用，直到外部应用306已经就绪、直到外部应用306与BAS 302之间的通信恢复、直到BAS 302期望从外部应用306接收应用数据314以进行操作，或者前述的任何组合。

BAS 302从外部应用306接收应用数据314。然后，序列选择器326确定将哪个数据序列(应用数据314或正常BAS控制序列320)发送到BAS输出数据结构328。序列选择器326经由外部应用使能308来确定要发送哪个数据信号。在一个实施例中，外部应用使能308包括操作者定义的使能点，该使能点允许操作者手动触发控制系统300，以指示BAS 302将使用外部应用306来操作HVAC系统304。

如果外部应用使能308通知序列选择器326操作者定义的使能点被启用，则与外部应用306的通信是可操作的，并且外部应用306准备好操作，然后使能308将允许序列选择器326将应用数据314发送到BAS输出数据结构328。

如果外部应用使能308确定操作者定义的使能点被禁用、外部应用306不可操作、不存在与外部应用306的通信或其某种组合，则使能308通知序列选择器326将正常BAS控制序列320发送到BAS输出数据结构328，与发送应用数据314相反。BAS输出数据结构328然后可以将接收到的数据转换为控制指令330，然后由HVAC系统304接收这些控制指令330。

仍然参考图3，环境控制系统的一个示例包括与BAS 302交互的外部应用306以控制冷却器机组(例如，HVAC系统304)。在BAS 302中，BAS 302内的外部应用使能值指示外部应用使能308在建筑物内存在对优化冷却的需求，因此该使能值被设置为TRUE(真)。接下来，指示外部应用306在被应用控制序列318处理时需要来自外部应用306的应用数据314。然后，应用数据314可以由序列选择器326处理并被转换成由BAS输出数据结构328接收的数据，然后该数据可以作为控制指令330被传送到冷却器机组304，该控制指令330旨在提供改进的优化序列以提高冷却器机组的总体操作效率。

当外部应用使能值为FALSE(假)时，这向外部应用306指示冷却器机组304被设置为在手动或BAS控制下进行操作，这不要求来自外部应用306的经处理的应用数据314。在这种配置中，可以处理序列选择器326可访问的初始化数据311或其它缺省数据并将这些数据传送到BAS输出数据结构328，BAS输出数据结构328进而将控制指令330提供给冷却器机组304。

一旦冷却器机组以期望的效率进行操作，这可以使用外部应用来检查或以其它方式验证，外部应用306就可以分析并确定应用控制序列318内所需的冷却器操作参数，然后将经处理的应用数据314传送到BAS 302，BAS 302进而提供控制指令330以便以期望的效率或由外部应用306确定的另一个效率来操作冷却器。类似地，在接收到实时操作数据322并将其转换成装备数据316之后，外部应用306可以确定新的冷却水温度设定点。外部应用306经由应用数据314将新的冷却水温度设定点发送到BAS 302。可以认识到的是，除冷却器以外，前述数据流还可以用于向其它部件(例如锅炉、风扇、空气处理单元、可变空气量单元或HVAC系统的任何其它部件)提供控制指令330。

在外部应用306与BAS 302之间存在通信损失的情况下，BAS 302可以将最后供给的应用数据314保留期望的时间段。在这个期望的时间段之后，BAS 302可以返回到正常BAS控制序列320，直到通信恢复。在通信已经恢复之后并且在某个附加的时间段之后，外部应用306可以再次联机以生成新的应用数据314。BAS 302可以被配置为以渐进和高效的方式平滑地从正常BAS控制序列320过渡到利用应用数据314。

现在参考图4，实施例包括预测性自由冷却模块402。模块402从外部应用306接收自由冷却窗口数据和建筑物400的位置。模块402将建筑物400的位置传递给天气预报引擎404。预报引擎404可以由第三方天气服务(例如，NOAA)提供。预报引擎404在预定时间段内返回建筑物400的位置的天气预报。可替代地，天气预报由模块402提供，模块402本身使用模块所对接的天气传感器。

模块402基于从引擎404接收的天气预报和自由冷却窗口数据确定自由冷却窗口可用性数据。在实施例中，来自引擎404的天气预报提供对未来一段时间(例如，24小时至72小时之间)的干球温度(常温)、相对湿度、气压和湿球温度的预测。

自由冷却天气数据可以由以下组成：湿球温度阈值(可通过安装配置，通常在32华氏度和50华氏度之间)、干球温度阈值(可通过安装配置，通常在32华氏度和50华氏度之间)、自由冷却窗口(可通过安装配置，通常在1-24小时之间)。

模块402将自由冷却数据(诸如湿球阈值(或干球阈值；可以使用任一者或两者)和自由冷却窗口)应用于所预测的天气数据，确定所预测的湿球温度(或干球温度阈值；可以并行使用任一个或两者)是否在连续时间段内低于相关联的阈值温度，如果该连续时间量达到或超过自由冷却窗口时段，则确定“自由冷却窗口”是可用的，如果该连续时间量不等于或超过自由冷却窗口时段，则不能确定“自由冷却窗口”是可用的。

例如：湿球温度阈值＝35华氏度，干球温度阈值＝40华氏度，自由冷却窗口时段＝4小时。如果所预测的天气数据示出在凌晨1点湿球温度将为35.2华氏度并且干球温度将为40.1华氏度，则确定“自由冷却窗口”不可用。直到凌晨2点，湿球温度将为34.8华氏度并且干球温度将为38华氏度，湿球温度和干球温度保持低于各自的阈值，直到早上7点32分，当湿球温度将为35.4华氏度并且干球温度为40.3华氏度时，这个时段超过4小时的自由冷却窗口时间，因此确定“自由冷却窗口”从凌晨2点开始可用，到上午7点32分结束。

模块402将自由冷却窗口可用性数据传递到外部应用306，并且如果满足自由冷却条件，则可以指示外部应用将冷却器机组304切换到冷却器被禁用的自由冷却模式或者进入低功率状态，冷却液(例如水)流到暴露于周围环境温度的导管。在自由冷却窗口关闭时，模块402可以进一步指示外部应用306将冷却器机组304切换到自由冷却模式，由此重启冷却器。

可以经由网页406向用户显示自由冷却窗口可用性数据。由模块402提供的这种显示数据还可以包括描述在识别出的自由冷却窗口期间冷却器机组304历史上在自由冷却模式下操作的程度的信息以及其它性能指标，诸如冷却器机组在自由冷却模式下所花费的时间、在预定历史时间范围内可用的自由冷却窗口的数量，以及自由冷却窗口的平均长度。

这种数据还通过直观的仪表板(dashboard)视图显示给操作者或客户。

仪表板显示：

自由冷却窗口可用性状态

如果自由冷却窗口可用，则以绿色显示“自由冷却可用”

如果自由冷却窗口不可用，则以灰色显示“自由冷却不可用”

状态天气数据状态

如果文件是陈旧的(24小时没有预报数据)，则显示“自由冷却不可用，天气预报过时”

如果文件不是状态，则不显示任何内容。

自由冷却状态

如果自由冷却可用＝YES(是)并且自由冷却状态＝ON(开)；则以灰色显示“自由冷却开启”

如果自由冷却可用＝YES并且自由冷却状态＝OFF(关)；则以红色显示“自由冷却关闭”

如果自由冷却可用＝NO(否)并且自由冷却状态＝OFF；则以灰色显示“自由冷却关闭”

如果自由冷却可用＝NO并且自由冷却状态＝YES；则以红色显示“自由冷却关闭”

湿球温度

显示湿球阈值(这将是趋势点(trended point))

显示当前OAWB

自由冷却窗口持续时间

所需窗口是预报湿球必须低于阈值以使自由冷却可用的最小时间量

显示所需的最小窗口(这将是趋势点)

显示剩余时间

如果存在当前窗口，则显示窗口中剩余的时间

如果不存在当前窗口，则显示“无当前窗口”

如果天气数据陈旧，则显示“未知”

如果当前自由冷却窗口在将来超过72，则显示“超过72小时”

自由冷却窗口可用性

当前窗口开始：

如果存在活动的自由冷却窗口(不管陈旧的天气数据状态如何)，则显示窗口开始日期和时间

如果不存在当前窗口(不管陈旧的天气数据状态如何)，则显示“无当前窗口”

下一个窗口可用：

如果天气数据陈旧，则显示“未知”

如果在接下来的72小时内存在可用的冷却窗口(该窗口不是当前窗口)，则显示窗口开始日期和时间

如果当前自由冷却窗口在将来超过72，则显示“超过72小时”

在实施例中，外部应用306连续地或周期性地向模块402提供更新后的自由冷却窗口数据。当这种信息(例如，所需的负载))随时间改变时，由外部应用306提供的这种信息使模块402能够计算更新后的自由冷却窗口。

此外，并且在实施例中，外部应用306连续地或周期性地通知模块402冷却器机组304是否在自由冷却模式下操作。由外部应用306提供的这种信息使模块402能够计算冷却器机组304有效利用可用自由冷却窗口的所有部分的程度。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。本说明书中引用的所有上述美国专利、专利申请和出版物以及申请号为6,185,946的美国专利均通过全文引用并入本文。如果有必要，则可以修改各方面，以采用各种专利、申请和出版物的设备、特征、方法和概念来提供更进一步的实施例。

虽然已经图示和描述了本发明的优选实施例，但如上所述，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行许多改变。因而，本发明的范围不受优选实施例的公开内容的限制。相反，本发明应当完全通过参考下面的权利要求来确定。