專利名稱：用于控制房屋內(nèi)氣候的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制與周圍空間進行熱能交換的環(huán)境氣候的方 法，例如，用于控制建筑物的室內(nèi)氣候，用于控制如冷藏室等被制冷的空 間。本發(fā)明還涉及根據(jù)該方法運行的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在房屋內(nèi)可能裝有各種熱源，例如電加熱器、基于水的供暖系統(tǒng)、加
熱通風空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)等。這些熱源的特點是它們在對室內(nèi)氣候的影響 和使用費用方面是不同的。室內(nèi)氣候受很多變量限制，例如，受平均溫度 水平；溫度分布，即，區(qū)別于平均溫度的局部溫度變化；氣流；濕度；C02 水平；光強度等限制。當然，不將這些變量全部組合也認為同樣舒適。
通過將來自 一些不同熱源的傳熱進行組合可有效影響和控制各種對舒 適度(comfort)起決定作用的變量。因此，可獲得更舒適的室內(nèi)氣候。作 為例子，位于窗戶下的熱源適用于消除由冷的窗戶所引起的冷氣流，但是 其對地面溫度的作用則可忽略。另一方面，地面供暖系統(tǒng)對消除冷氣流貢 獻很小，而且地面供暖系統(tǒng)的時間常數(shù)或惰性使得地面加熱完全不適合補 償氣候的突然波動。包括加熱表面、帶有用于強制對流的通風機的電操作 加熱設(shè)備可通過迅速提高溫度而非?？斓亟档拖鄬穸取３龑夂虻挠绊?不同外，費用的差異也與不同的熱源有關(guān)。例如，在很多國家使用電加熱 器比使用基于水的供暖系統(tǒng)(例如，用燃油鍋爐)更昂貴。
在類似方式中，可對冷卻環(huán)境的各種方法進行組合以提高環(huán)境的舒適 度。作為例子，可借助基于壓縮機的冷卻系統(tǒng)降低環(huán)境溫度。這種系統(tǒng)即 使在較熱的室外條件下也能使溫度快速變化?？赏ㄟ^通風降低溫度(要求 室外溫度4氐于室內(nèi)溫度)，也可通過熱對流、例如通過場地加熱/冷卻系統(tǒng)降 低溫度。當然，可通過選擇冷卻源來影響降低溫度所需的費用和除溫度外 其他如濕度和氣流之類的對舒適度起決定作用的變量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是改善室內(nèi)氣候，更具體地說，本發(fā)明的目的是促 進對帶有各種熱能源的整個系統(tǒng)的改進控制，例如，提供改善的舒適度、 較小的溫度變化和提高經(jīng)濟性。據(jù)此，本發(fā)明提供一種方法，該方法以數(shù)
值項的方式(in numerical terms)規(guī)定舒適度標準和符合舒適度標準 (compliance with the comfort criterion)的重要性的權(quán)重(weight )。 考慮供 給的能量的具體量，提供相對于所述量與舒適度標準的吻合程度(degree of compliance)的凄^f直表達式(numerical expression)和與供給的能量的所述 量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式。
由于對符合舒適度標準的程度、符合舒適度標準的重要性的權(quán)重及供 應(yīng)設(shè)想的能量的費用提供了數(shù)值表達式，可提供費用和舒適度之間的令人 滿意的平衡。
作為例子，舒適度標準與處于環(huán)境中的人的舒適感肯定相關(guān)。例如， 舒適度標準可指定為平均溫度與期望溫度的期望最大偏差；局部溫度、例 如窗戶或其他隔熱不好的建筑物部分附近的溫度與環(huán)境的平均溫度的最大 偏差；最大或最小相對濕度；最大期望氣流、例如測得的每單位時間的空 氣交換量；環(huán)境中C02或其他污染物的最大含量。例如，就與期望水平的 最大溫度偏差或濕度偏差而言，用數(shù)值表達舒適度標準。
吻合程度是期望的舒適度標準和實際達到或可達到的環(huán)境條件之間的 差異、即環(huán)境與期望的氣候符合得如何的數(shù)值表達?？衫脗鞲衅鞔_定實 際達到的條件，該傳感器確定與被規(guī)定的氣候變量有關(guān)的實際條件，例如， 可采用確定環(huán)境的實際溫度或環(huán)境中局部區(qū)域的實際溫度的溫度傳感器， 或可采用確定實際相對濕度的濕度傳感器等。實際可達到的條件可通過例 如基于環(huán)境模型的理論來確定。作為例子，可根據(jù)如環(huán)境外側(cè)溫度之類的 關(guān)于周圍空間的外部條件的知識、關(guān)于環(huán)境內(nèi)熱能釋放的知識、及與周圍 進行能量交換的知識建立模型。
例如，為了降低過高的溫度或提高過低的溫度，通?？赏ㄟ^增加供給 環(huán)境的熱能的量來分別改善吻合程度。因此，通過使用附加能量可獲得改
善的舒適度。假定能量的價格Pe^gy高，環(huán)境的使用者可能滿足于較低的吻 合程度，如果Pe^gy低，使用者可能要求較高的吻合程度，而不采用兼有太 高或太低溫度的不適的設(shè)定或無論哪種舒適度標準的指定。為了能在改善吻合程度所需的費用和使用者在實際開支方面的興趣之間進行數(shù)值比較，
我們引用符合的重要性的權(quán)重(weight of importance of compliance ),以下稱 為"權(quán)重"。權(quán)重對于與被規(guī)定的舒適度標準不符的不適性是非常重要的。 權(quán)重是數(shù)值，其與吻合程度相乘，因此，其允許使用者根據(jù)經(jīng)濟性和便利 性的考慮來調(diào)整所述方法。
關(guān)于能量供給的費用可以是與所消耗的能量有關(guān)的直接費用，或者可 以是與能量相關(guān)、與環(huán)境有關(guān)的加熱或冷卻系統(tǒng)的維修和折舊相關(guān)的總費 用。
本發(fā)明的 一個目的是在與舒適度標準的吻合和能量費用之間提供最佳 組合。由于以數(shù)值方式提供吻合.程度、重要性權(quán)重及供應(yīng)能量的費用，可 通過能辨別出吻合程度、重要性權(quán)重、及供應(yīng)能量的費用的那些數(shù)值的數(shù) 學變換來實現(xiàn)最佳組合。作為例子，對于每一量而言，可通過將所述數(shù)值 結(jié)合到用于描述符合舒適度標準與能量消耗的比值的一個單一數(shù)值中來考 慮被供應(yīng)的能量的多個不同量。 一種結(jié)合所述數(shù)值的方式是從費用中減去 吻合程度和權(quán)重的乘積。對于每一被考慮的供應(yīng)能量的量提供這種單一數(shù) 值時，可選擇最小數(shù)值并可向環(huán)境供給相應(yīng)量的能量。
可通過本身公知的任何一類源頭提供熱能，例如，通過可接收熱水或 冷水流并與環(huán)境進行熱能交換的散熱器或地面供暖系統(tǒng)提供熱能?？捎贸?規(guī)的時間常數(shù)減小的電力加熱所述源頭，借此提高響應(yīng)溫度快速變化的能 力。散熱器可與通風設(shè)備結(jié)合，以增強熱對流。
在本發(fā)明一多源實施例中，能量由第一源和第二源供給。至少一個源 頭可適于比另一源頭更快地提供熱能，至少一個源頭所提供的熱能均勻分 布到被加熱環(huán)境的區(qū)域比另外的源頭均勻分布的區(qū)域大，而且至少一個源 頭提供的能量價格比另一源頭的能量價格低。在該多源實施例中，所述方 法可包括以下步驟規(guī)定由每一源頭提供的能量的不同的量的組合；對于 每一組合，提供運行費用和吻合程度。再者，可對提供符合舒適度標準和 能量費用之間最佳組合的所述源頭之間的組合和能量供給進行選擇。如上 面所提到的那樣，該最佳量和組合可通過將吻合程度和權(quán)重相乘并從能量 費用中減去所獲得的數(shù)值來確定。
可影響氣候的物理量的例子是環(huán)境溫度；相對濕度或環(huán)境空氣中的 其他物質(zhì)的濃度，例如，環(huán)境中的灰塵、溶劑、細菌等；如通過太陽輻射獲得或通過燈等獲得的光強度；氣流和不平衡(asymmetric)的熱輻射。因 此，可期望根據(jù)熱能源影響這些物理量的能力估計所述熱能源，并根據(jù)所 述估計釋放能量的所需量。因此，舒適度標準可與這些量的任一種相關(guān)，
而在一個實施例中，規(guī)定了幾種舒適度標準，對本發(fā)明應(yīng)用的其他方面也 作了必要的修正。
作為一個例子，由于地面供暖系統(tǒng)可對環(huán)境給出均勻的能量分布，例 如，可從該系統(tǒng)釋放所需能量的固定量，或可從位于窗戶下的散熱器釋放 能量以避免冷氣流，或可通過如地面供暖系統(tǒng)和散熱器的組合來釋放能量， 致使地面供暖系統(tǒng)能釋放確保地面溫度最低的足夠的能量，而其余所需能 量由散熱器釋放。在一類似方式中，使用者可以預期的是，可完全消除任 何類型的氣流同時可接受達到一定水平的不平衡的熱輻射。
在一個實施例中，所述方法包括根據(jù)能源的固定順序選擇源頭的步驟， 該步驟應(yīng)用于在使順序中的下一個能源初始化之前供給一定量的能量直到 供給了所有需要的能量為止。
環(huán)境中氣候的控制可包括以下步驟
a) 確定能量的需要量以保證環(huán)境溫度最低；
b) 確認最重要的舒適度標準；
c )確認最適合于所述被確認標準的源頭；
d) 由被確認的源頭供給能量直到完全達到被確認的標準或直到獲 得一定的吻合程度為止；
e) 通過從能量的所需量中減去被分配的能量的量來確定能量的剩
余量；
f) 重復步驟b， c, d和e,以用于第二最重要標準、第三最重要標 準等直到向環(huán)境提供了能量的所需量為止。
第二方面，本發(fā)明提供一種用于控制環(huán)境氣候的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括熱 能供給部分和適用的、基于被規(guī)定的舒適度標準的控制裝置，以規(guī)定舒適 度標準和符合舒適度標準的重要性的權(quán)重，考慮能量供給的具體量，響應(yīng) 于該量提供符合舒適度標準的程度和與供給所述量的能量相關(guān)的費用，并 根據(jù)所考慮的導致吻合程度、重要性的權(quán)重及費用之間的令人滿意的平衡 控制供給部分。根據(jù)本發(fā)明第一方面，該系統(tǒng)可包括第一和第二獨立應(yīng)用 的熱能源，所述處理裝置適用于規(guī)定每一源頭供給的能量的不同量的組合，對于每一組合提供與舒適度標準的吻合程度和與由每一源頭供給的能 量的量相關(guān)的費用，及根據(jù)所考慮的導致吻合程度、重要性的權(quán)重及費用 之間的令人滿意的平衡選擇組合。
所述源頭在源頭能夠傳遞熱能的速率方面或在為了傳遞熱能由這些源
頭所消耗的能量的類型方面可以不同。源頭的例子是地面加熱、常規(guī)散 熱器、電風扇、熱泵、輻射加熱設(shè)備等。詳細地說，這些源頭使用時昂貴 的程度是不相同的，且可將它們置于不同部位，例如置于相對于窗、門和 與周圍空間的熱對流而論是特定類型的其他區(qū)域。
在一個實施例中，該系統(tǒng)適用于確定對于補償與周圍空間交換的能量 和在第一和第二熱源之間分配的么,。,來說是必需的熱能的量，么,。,。所述分 配可取決于接收到的來自 一組傳感器中選取的至少一個傳感器信號，該組 傳感器包括溫度計；太陽入射輻射(incident solar radiation)傳感器；如 阻力風速計(drag anemometers )之類的風速計；能檢測熱輻射的任何類型 的傳感器，例如，帶防止太陽直接輻射的防護層的傳感器。
在一個實施例中，該系統(tǒng)適用于計算所需的、完全符合至少一個舒適 度標準的最低可能的加熱費用，例如，適于計算獲得環(huán)境的期望平均溫度 的最小開支。在該實施例中，該系統(tǒng)可進一步適用于計算超出的開支 (over-expenditure )，此超出的開支表示對于源頭的某一具體組合而言其實 際能量消耗超出最可能低的加熱費用的任何程度。
具體實施例方式
以下將參考附

圖1對本發(fā)明一優(yōu)選實施例作更加詳細的說明，圖1示 出了房屋l,其設(shè)有位于窗3下方的電加熱器2和基于水的地面供暖系統(tǒng)4， 該地面供暖系統(tǒng)帶有被嵌入熱傳導非常遲緩的混凝土結(jié)構(gòu)中的熱管5。窗戶 處設(shè)有溫度傳感器6，墻上設(shè)有另一溫度傳感器7。
我們假定可將傳到周圍環(huán)境的熱損失分為兩項，即，通過天花板的熱
損失么^和通過窗戶的熱損失么^ 。箭頭8表示a務(wù),，箭頭9表示。w 。 箭頭10表示4,。。如,，其為由地面加熱提供的熱量，箭頭11表示么^"。通 過和么* ，房屋1與周圍空間12進行熱能交換。
我們假設(shè)，如果我們在房間內(nèi)的溫度均勻(這正是很多對舒適有影響 的參數(shù)之一)，就可獲得滿意的舒適度?，F(xiàn)在，如果我們最初假設(shè)通過窗戶的熱損失是零(。wj0),而地面 熱量(么。。如,)補償通過天花板的熱損失，",。。如，=么* ,，則在穩(wěn)定狀態(tài)
下房間內(nèi)的溫度接近均勻分布(TWind。w = TWall = Tmean )。來自地面的熱空氣 朝天花板上升而冷空氣朝地面下降，于是使空氣混合以確保溫度均勻分布。 因此，若使窗戶處的電加熱元件接通電源對改善舒適度不起作用。 但是，現(xiàn)在若通過窗戶存在熱損失，即，
A^。w>0,地面供暖系統(tǒng)補償全部熱損失(a* ,+ 。w),溫度分布 不再均勻，即TWind0W < TWall 。但房間內(nèi)的平均溫度((TWind0W + TWa ) /2=
Tmean ) 不義。
然而，若將熱傳遞分于兩個熱源上，致使么&," - ","^和
么,。屮，-么岫加，則將重新建立溫度的均勻分布T德d。w二T腦二T咖肌。于是 接通電加熱器電源就可改善舒適度。但是，這種改善的舒適度是通過使用 更貴的熱源、即電加熱器而獲得的。假設(shè)電價是每kWPd,使用基于水的地 面加熱的價格是每kW Poil (Pel >Poil)，則改善舒適度的費用是么",。,(Pel -P。u)。因此，如果我們能適應(yīng)溫度不均勻分布引起的不適，甚至也許可適 應(yīng)平均溫度更低的溫度，那么我們可以顯著節(jié)約一些費用。
如果我們導入不具有最佳平均溫度Cmean的不舒適度的權(quán)重和不具有 均勻溫度分布Cuni的不舒適度的權(quán)重，可以提出以下最佳化問題
<formula>formula see original document page 10</formula>假定
公式1
其中IW是期望的平均溫度。通過選擇權(quán)重Cmeai^P Cuni中的高數(shù)值，舒適度比加熱價格明顯優(yōu)先， 而小的權(quán)重卻強調(diào)加熱價格的重要性。解決最小化問題時公式1給出了 和么,。?！淖罴阎担故孢m度與價格平衡。
在通常包括N個不同熱源的系統(tǒng)的情況下，每個熱源傳遞給房間的熱 量為。,('吼2".,,可以提出以下最佳化問題
<formula>formula see original document page 11</formula>,=
加熱的價格
不舒適度
假定
其中Comfort表示房間內(nèi)的舒適度，其是由獨立熱源供給的熱量的函 數(shù)，而Ambient表示周圍環(huán)境的屬性。周圍環(huán)境的屬性包括溫度，濕度, 風速等。
權(quán)利要求
1. 一種用于控制與周圍空間(12)進行熱能交換的環(huán)境(1)的氣候的方法，該環(huán)境被供給熱能(11，12)，所述方法包括步驟-規(guī)定用數(shù)值表達的舒適度標準和用數(shù)值表達的符合所述舒適度標準的重要性的權(quán)重；-考慮能量供給的具體量；及-提供相對于所述量與舒適度標準的吻合程度的數(shù)值表達式和與供給所述能量的量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式。
2，如權(quán)利要求l所述的方法，其中，將所述用數(shù)值表達的舒適度標準、 所述符合舒適度標準的重要性的權(quán)重、與所述舒適度標準的吻合程度和用 數(shù)值表達的與供給的能量的所述量有關(guān)的費用進行比較。
3. 如權(quán)利要求1-2所述的方法，其中，將所述用數(shù)值表達的舒適度標 準、所述符合舒適度標準的重要性的權(quán)重、與所述舒適度標準的吻合程度、 及與供給能量的所述量有關(guān)的費用結(jié)合成一個單一的符合所述舒適度和能 量消耗的數(shù)值標識符。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過從所述費用中減去所述舒適 度標準的吻合程度和符合舒適度標準的重要性的權(quán)重的乘積，將所述數(shù)值 表達的舒適度標準、所述符合舒適度標準的重要性的權(quán)重、與所述舒適度 標準的吻合程度、及與供給能量的所述量有關(guān)的費用結(jié)合成單一的數(shù)值標 識符。
5. 如權(quán)利要求3-4所述的方法，其中，考慮多個供給能量的不同量， 其中對于每一被考慮的能量的量，將符合所述舒適度標準與能量消耗的數(shù) 值標識符進行比較，其中根據(jù)所述比較結(jié)果選擇能量的量。
6. 如權(quán)利要求4和5所述的方法，其中，所述被選擇的量是引起所述 舒適度的符合和能量消耗的最小數(shù)值標識符的量。
7. 如上面任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述舒適度標準定義以 下的至少之一-環(huán)境的平均溫度和期望溫度之間的差；-平均溫度與期望溫度存在差異期間的持續(xù)時間；-環(huán)境的局部區(qū)域溫度和環(huán)境的平均溫度之間的期望的最大溫差。
8. 如上面任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述能量由第一源和第二源供給，所述方法還包括-規(guī)定由每個源頭供給的能量的不同量的組合；-為每一組合提供與所述舒適度標準吻合的程度和與每一源頭供給的能 量的量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式；及-根據(jù)與所述舒適度標準吻合的程度的數(shù)值表達式和與供給能量的所述 量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式選擇組合。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，根據(jù)以下至少之一評價每一源頭 -其減少氣流的能力；-其減小不均勻熱輻射的能力； -其改變濕度的能力；及 -其改變環(huán)境溫度的速度。
10. —種用于控制環(huán)境氣候的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括熱能供給部分和適 用于根據(jù)如權(quán)利要求1-9中所述方法進行操作的控制裝置。
11. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述能量供給部分包括第一和第 二可獨立應(yīng)用的熱能源，所述處理裝置適用于-規(guī)定由每個源頭供給的能量的不同量的組合；-對于每一組合提供與所述舒適度標準吻合的程度的數(shù)值表達式，及與 從每個源頭供給的能量的所述量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式；及-根據(jù)與所述舒適度標準吻合的程度的數(shù)值表達式和與供給的能量的所 述量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式選擇組合。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述源頭在這些源頭能傳遞熱 能的速度方面是不同的。
13. 如權(quán)利要求11-12所述的系統(tǒng)，其中，所述源頭在這些源頭用于傳 遞熱能所消耗的能量的類型方面是不同的。
14. 如權(quán)利要求11-13所述的系統(tǒng)，其中，由第二源頭提供的熱能的量 費用比由第一源頭提供相同量的費用高。
15. 如權(quán)利要求11-14所述的系統(tǒng)，其中，所述源頭根據(jù)處于環(huán)境內(nèi)的 位置的不同而不同。
16. 如權(quán)利要求11-15所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)適用于確定對于補償 與周圍空間進行交換的能量和在所述第 一和第二源頭之間分配。toto,來說是必需的熱能的量，。,。,。,。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，根據(jù)接收來自至少一個能測量 與所述被規(guī)定的舒適度標準有關(guān)的物理量的傳感器的信號進行所述分配。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于控制如房屋之類的與周圍空間進行熱能交換的環(huán)境氣候的方法。例如借助散熱器、地面加熱、電加熱風扇等向所述環(huán)境提供能量。根據(jù)本方法，規(guī)定用數(shù)值表達的舒適度標準，和用數(shù)值表達的符合舒適度標準的重要性的權(quán)重。隨后，考慮供給能量的具體量，且相對于所述具體量提供與舒適度標準吻合的程度的數(shù)值表達式和與供給該能量有關(guān)的費用的數(shù)值表達式。
文檔編號F24F11/00GK101421561SQ200780012703
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者克勞斯·賽波, 拉斯·F·S·拉森, 杭利安·賽波 申請人:丹佛斯公司