СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КЛИМАТОМ ЗДАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F24F11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к способу управления климатом среды, которая обменивается тепловой энергией с внешней средой, например к способу управления климатом в здании, управления холодильной емкостью, например холодильной камерой и т.д. Изобретение также относится к системе, работающей в соответствии с этим способом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В зданиях могут устанавливать различные источники тепла, например электронагреватели, системы водяного отопления, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ОВКВ (HVAC) и т.д. Эти источники тепла оказывают различное влияние на климат помещений и имеют разную эксплуатационную стоимость. Климат помещений определяется большим количеством переменных, например уровнем средней температуры, распределением температуры, то есть локальными отклонениями температуры от среднего значения, наличием тока воздуха, влажности, уровнем СО₂, интенсивностью освещения и т.д. Однако не все комбинации этих переменных обеспечивают одинаковый комфорт.

Комбинация теплопередачи от нескольких различных источников тепла позволяет оказывать воздействие на различные переменные, влияющие на комфорт помещений, и активно управлять ими. В результате можно добиться более комфортного климата в помещениях. Например, источник тепла, размещенный под окном, способствует устранению тока холодного воздуха, поступающего от окна, в то же время на температуру пола такой источник влияет незначительно. С другой стороны, система водяного подогрева пола мало способствует устранению тока воздуха, а постоянная времени или инерция такой системы делает ее совершенно непригодной для компенсации быстрых климатических колебаний. Электрические нагревательные приборы, содержащие нагретую поверхность с вентилятором для принудительной конвекции, быстро повышая температуру, могут очень быстро понижать относительную влажность. Различные источники тепла не только по-разному влияют на климат, но и отличаются друг от друга в отношении затрат. Например, во многих странах применение электронагревателей требует больших расходов, чем эксплуатация систем водяного отопления (например, с котлом на жидком топливе).

Аналогично, для повышения комфортности среды могут комбинировать различные способы ее охлаждения. Например, температуру среды понижают при помощи компрессорной системы охлаждения. Такая система обеспечивает быстрые изменения температуры даже в случае сравнительно высокой температуры наружного воздуха. Температуру также снижают либо посредством вентиляции (для этого необходимо, чтобы температура наружного воздуха была ниже температуры в помещении), либо при помощи конвективной теплопередачи, например, с использованием системы нагревания/охлаждения от грунта. Разумеется, затраты на уменьшение температуры и другие переменные, влияющие на комфорт в помещении, отличные от температуры, можно варьировать путем выбора источника охлаждения, например влажности, или тока воздуха.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить климат в помещениях, в частности, улучшить управление системами с различными источниками тепловой энергии, например, для обеспечения лучшего комфорта, меньших колебаний температуры и большей экономии средств. Соответственно, настоящим изобретением предлагается способ управления климатом среды, обменивающейся тепловой энергией с внешней средой и снабженной средствами подачи тепловой энергии, согласно которому определяют в численном выражении критерий комфорта и вес значимости соответствия критерию комфорта. Принимают количество подаваемой энергии, равной определенному значению, с учетом этого количества обеспечивают численное выражение степени соответствия критерию комфорта и численное выражение затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии.

Поскольку для степени соответствия критерию комфорта, для веса значимости соответствия критерию комфорта и для затрат на подачу рассматриваемого количества энергии используют численные выражения, появляется возможность обеспечения приемлемого баланса между затратами и комфортом.

Критерий комфорта, например, может относиться к хорошему самочувствию человека в окружающей среде. Например, критерий комфорта может определять разницу между средней температурой и заданной температурой среды, промежуток времени, в течение которого средняя температура отличается от заданной температуры, заданную максимальную разность между температурой локальной области среды и средней температурой среды, например температуры возле окна или других недостаточно изолированных компонентов здания, максимальную или минимальную относительную влажность, максимальный заданный ток воздуха, например, измеренный как число воздухообменов за единицу времени, максимальное содержание в среде CO₂ или других примесей. Критерий комфорта выражается в количественной форме, например в виде максимального отклонения температуры или влажности от заданного уровня.

Степень соответствия представляет собой численное представление меры различия между заданным критерием комфорта и фактически достигнутыми или достижимыми условиями среды, например, насколько среда соответствует заданному климату. Фактически достигнутое состояние могут определить с помощью датчика, который определяет фактическое состояние в отношении заданного климатического параметра, например датчик температуры, определяющий фактическую температуру среды или ограниченной области среды, или гигрометр, определяющий фактическую относительную влажность, и т.д. Фактически достижимые условия могут быть определены, например, теоретически, на основе модели среды. Эта модель может, например, основываться на знании внешних условий во внешней среде, например, температуры за пределами среды, на сведениях о выделении тепловой энергии в среде и на сведениях об обмене энергией с внешней средой.

Обычно степень соответствия может быть повышена посредством увеличения количества подаваемой в среду тепловой энергии, например, для понижения или повышения, соответственно, слишком высокой или слишком низкой температуры. Таким образом, повысить степень комфорта можно путем использования дополнительной энергии. Полагая, что стоимость этой энергии Р_{энергии} высока, пользователь среды может удовлетвориться более низкой степенью соответствия, а если стоимость Р_{энергии} низка, то пользователь может потребовать более высокой степени соответствия вместо того, чтобы мириться с дискомфортом слишком высокой или слишком низкой температуры или других параметров, определяемых критерием комфорта. Для того чтобы числовое сравнение между затратами на повышение степени соответствия и запросами пользователя в отношении осуществления расходов стало возможным, введем термин «вес значимости соответствия», далее называемый «вес». Вес имеет существенное значение с точки зрения дискомфорта из-за несоответствия заданному критерию комфорта. Вес является численным значением, умножаемым на степень соответствия, и позволяет пользователю применять данный способ исходя из соображений экономии и удобства.

Затраты, относящиеся к подаче энергии, могут представлять собой прямые затраты, относящиеся к потребляемой энергии, или общие издержки, связанные с энергией, обслуживанием и амортизацией системы отопления или охлаждения, взаимодействующей с внешней средой.

Цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить наилучшее сочетание между соответствием критерию комфорта и затратами энергии. Поскольку степень соответствия, вес значимости и затраты подаваемой энергии представлены в числовом виде, наилучшего сочетания достигают посредством математических действий с числами, определяющими степень соответствия, вес значимости и затраты на подачу энергии. Например, могут рассмотреть несколько различных значений количества подаваемой энергии, при этом для каждого такого значения комбинируют указанные числа в одно число, которое описывает соответствие критерию комфорта в сравнении с потреблением энергии. Один из способов комбинирования чисел состоит в вычитании из затрат произведения степени соответствия и веса. Если для каждого из рассматриваемых значений подаваемой энергии получено одно такое число, то могут выбрать самое меньшее из чисел и подавать в среду соответствующее количество энергии.

Согласно варианту изобретения, численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта и степени соответствия критерию комфорта сравнивают с численным выражением затрат, связанных с подачей упомянутого количества энергии.

Согласно варианту изобретения, численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта, степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей упомянутого количества энергии, комбинируют в один числовой показатель соответствия критерию комфорта и потребления энергии.

Согласно варианту изобретения, численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта, степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей указанного количества энергии, комбинируют в один числовой показатель, вычитая из затрат произведение степени соответствия и веса значимости соответствия критерию комфорта.

Согласно варианту изобретения, принимают несколько значений количества подаваемой энергии, причем сравнивают числовой показатель соответствия критерию комфорта и потребления энергии для каждого принимаемого значения количества энергии и на основе этого сравнения выбирают количество энергии.

Согласно варианту изобретения, в качестве количества энергии выбирают количество энергии, приводящее к наименьшему числовому показателю соответствия критерию комфорта и потребления энергии.

Тепловую энергию могут подавать посредством источника любого вида, который сам по себе известен, например радиатора или системы водяного подогрева пола, которые снабжаются потоком горячей или холодной воды и обмениваются тепловой энергией со средой. Источник могут нагревать также электрически, это обычно уменьшает постоянную времени и, таким образом, улучшает возможности по реагированию на быстрые изменения температуры. Для увеличения конвективной теплопередачи радиатор могут комбинировать с вентиляционным устройством.

При осуществлении варианта изобретения с несколькими источниками энергия подается от первого источника и второго источника. По меньшей мере один из источников может быть выполнен с возможностью более быстрой, по сравнению со вторым источником, подачи энергии; по меньшей мере один из источников может подавать тепловую энергию, равномерно распределенную по большей, в сравнении со вторым источником, области нагреваемой среды и, по меньшей мере, один из источников может подавать энергию с меньшими затратами, чем другой источник. При осуществлении изобретения с несколькими источниками способ может включать следующие этапы: определение комбинаций различных количеств энергии, подаваемой каждым источником, и обеспечение для каждой комбинации эксплуатационных расходов и степени соответствия. Кроме того, могут выбрать ту подачу энергии и комбинацию источников, которая дает наилучшее сочетание между соответствием критерию комфорта и затратами энергии. Таким образом, обеспечивают для каждой комбинации численное выражение степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии от каждого источника и выбирают комбинацию на основе численного выражения степени соответствия критерию комфорта и численного выражения затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии.

Как упомянуто выше, наилучшее количество и комбинацию могут определить посредством перемножения степени соответствия и веса и вычитанием полученного числа из затрат на обеспечение энергии.

Примерами физических величин, которые могут влиять на климат, являются:

температура среды, относительная влажность или концентрация других веществ в воздухе среды, например пыль, растворители, бактерии и т.д. в среде, интенсивность света, например, при солнечном излучении или при освещении лампами и т.д., ток воздуха и ассиметричное тепловое излучение. Кроме того, может потребоваться оценить источники тепловой энергии на основе их способности влиять на эти физические величины и, основываясь на этой оценке, подавать необходимое количество энергии. Соответственно, критерий комфорта может относиться к любой из этих величин, а в одном из вариантов осуществления изобретения определяют несколько критериев комфорта, применяя другие аспекты изобретения, внеся соответствующие изменения.

Например, источником определенного количества необходимой энергии может служить система водяного подогрева пола, поскольку эта система дает равномерное распределение энергии в среде, или источниками энергии могут быть радиаторы, помещенные под окном, чтобы избежать холодного тока воздуха, или необходимая энергия может быть получена путем комбинации системы водяного подогрева пола и радиаторов, например, так, что система водяного подогрева пола выделяет достаточно энергии для обеспечения минимальной температуры пола, а остальная необходимая энергия обеспечивается радиаторами. Аналогично, пользователи могут рассчитывать на полное устранение холодного тока воздуха любого вида, хотя ассиметричное тепловое излучение до определенного уровня допускается.

Таким образом, каждый источник оценивают на основе по меньшей мере одного из следующих свойств источника:

- способности уменьшать ток холодного воздуха;

- способности уменьшать ассиметричное тепловое излучение;

- способности изменять влажность;

- скорости, с которой он изменяет температуру среды.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения способ может включать этап выбора источников на основе определенной последовательности источников энергии, которые могут использовать для подачи определенного количества энергии, прежде чем инициализировать в этой последовательности следующий источник энергии, пока не будет подана вся необходимая энергия. Управление климатом в среде может включать следующие этапы:

а) определяют количество энергии, необходимое для обеспечения в среде минимальной температуры;

b) устанавливают наиболее значимый критерий комфорта;

c) определяют источник, наиболее соответствующий установленному критерию;

d) энергию от установленного источника подают до тех пор, пока не будет соблюден установленный критерий или достигнута определенная степень соответствия;

e) определяют остаточное количество энергии путем вычитания распределенного количества энергии из необходимого количества энергии;

f) шаги b, c, d и е повторяют для второго по значимости критерия, третьего по значимости критерия и т.д. до тех пор, пока в среду не подадут необходимое количество энергии.

Согласно второму аспекту, настоящим изобретением предложена система управления климатом среды, содержащая средства подачи тепловой энергии и соответствующие средства управления, предназначенные для определения на основе определенного критерия комфорта критерия комфорта и веса значимости соответствия критерию комфорта, принятия условия подачи определенного количества энергии, определения, с учетом этого количества, степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии, и управления подачей в соответствии с принятым значением, которое приводит к приемлемому балансу между степенью соответствия, весом значимости и затратами. В соответствии с первым аспектом изобретения система может содержать первый и второй источники тепловой энергии, предусматривающие возможность отдельного применения, причем указанные средства управления предназначены для определения комбинаций различных количеств энергии, подаваемой каждым источником; обеспечения для каждой комбинации степени соответствия критерию комфорта и затратам, связанным с подачей данного количества энергии от каждого источника, и выбора комбинации, основанной на принятом значении, которое приводит к приемлемому балансу между степенью соответствия, весом значимости и затратами, т.е. выбора комбинации на основе численного выражения степени соответствия критерию комфорта и численного выражения затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии.

Источники могут отличаться друг от друга по скорости передачи тепловой энергии или по виду энергии, потребляемой источниками для передачи тепловой энергии. Примерами источников являются: средства водного подогрева пола, обычные радиаторы, электровентиляторы, тепловые насосы, нагревательные приборы лучистого отопления и т.д. В частности, источники могут отличаться друг от друга в отношении затрат на эксплуатацию. Например, стоимость количества тепловой энергии, подаваемой от второго источника, может быть выше стоимости такого же количества энергии, подаваемой от первого источника. Также, источники могут быть по-разному размещены, например, относительно окон, дверей и других областей, обладающих особыми свойствами в отношении конвективной теплопередачи во внешнюю среду.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения система выполнена с возможностью определения количества тепловой энергии Q_общ., необходимого для компенсации энергии, обмениваемой с внешней средой, и распределения Q_общ. между первым и вторым источником. Распределение может базироваться на сигнале, получаемом, по меньшей мере, от одного из следующих датчиков, выполненного с возможностью измерения физической величины, соответствующей заданному критерию комфорта: термометры, датчики солнечного излучения, анемометры, например анемометры силы лобового сопротивления, датчики любых типов, чувствительные к тепловому излучению, например датчик с экранированием, препятствующий прямому солнечному излучению.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения система выполнена с возможностью расчета минимально возможных расходов на отопление, необходимых для полного соответствия, по меньшей мере, одному критерию комфорта, например наиболее экономичному способу достижения необходимой средней температуры среды. Кроме того, в этом варианте система может быть выполнена с возможностью расчета перерасхода, показывающего насколько фактическое потребление энергии для определенной комбинации источников превышает минимально возможные расходы на отопление.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже со ссылками на чертеж более подробно описан предпочтительный вариант реализации изобретения. На фиг.1 изображен жилой дом 1 с электроотопительным прибором 2, помещенным под окном 3, и системой 4 водяного подогрева пола, содержащей трубы 5 для подачи горячей воды, встроенные в бетонную конструкцию с большой тепловой инерцией. Один датчик 6 температуры помещен у окна, второй датчик 7 температуры - у стены.

Предположим, что тепловые потери во внешнюю среду можно разделить на две составляющие: тепловые потери Q_внешн. через потолок и тепловые потери Q_окно через окно. Стрелкой 8 обозначены Q_внешн., стрелкой 9 - Q_окно, стрелкой 10 обозначено

Q_пол - тепло, которое дает система водяного подогрева пола, стрелкой 11 обозначено Q_{электр.} Посредством Q_внешн. и Q_окно дом 1 обменивается тепловой энергией с внешней средой 12.

Предположим, что хорошая степень комфорта достигается, если температура в помещении распределена равномерно (это только один из нескольких возможных параметров комфорта).

Теперь, если мы вначале предположим, что тепловые потери через окно равны нулю (Q_окно=0), а тепло, передаваемое через пол (Q_пол), уравновешивает тепловые потери через потолок (Q_пол=Q_внешн.), то в установившемся состоянии в помещении будет достигнуто распределение температуры, близкое к равномерному распределению (Т_окна=Т_стены=Т_средн.). Теплый воздух от пола будет подниматься вверх к потолку, а холодный воздух - опускаться к полу. Таким образом, в результате перемешивания воздуха обеспечивается равномерное распределение температуры. Следовательно, включение электронагревательного прибора у окна не будет способствовать улучшению комфорта.

Однако, если существуют тепловые потери через окно, то есть Q_окна>0, а система водяного подогрева пола уравновешивает все тепловые потери (Q_внешн.+Q_окно), то распределение температуры уже не будет равномерным, то есть Т_окна<Т_стены. Тем не менее, средняя температура в помещении (Т_окна+Т_стены)/2=Т_средн.) остается прежней.

Однако, если теплопередача распределена по двум источникам тепла, так что Q_{электр.}≈Q_окно и Q_пол≈Q_внешн., то равномерное распределение температуры будет восстановлено Т_окна=Т_стены=Т_средн.. Итак, включение электронагревателя повысило степень комфорта. Однако, такое повышение комфорта было достигнуто благодаря использованию более дорогого источника тепла, то есть электронагревателя. При условии, что стоимость электроэнергии за 1 кВт равна Р_эл., а стоимость эксплуатации системы водяного подогрева пола равна Р_жидк.т. (Р_эл.>Р_жидк.т.), то стоимость более высокой степени комфорта составляет Q_{электр.} (Р_эл.-Р_жидк.т.). Следовательно, если мы согласимся с дискомфортом неравномерного распределения температуры, а может быть и с более низкой средней температурой, очевидно, нам удастся достичь некоторой экономии средств.

Если ввести вес для дискомфорта, обусловленного тем, что мы не имеем оптимальной средней температуры С_средн., и вес для дискомфорта, обусловленного отсутствием равномерного распределения температуры С_{равном.}, то можно поставить следующую задачу оптимизации:

при условии, что:

Уравнение 1

где Т_реф. - заданная средняя температура.

Выбирая высокие значения весов С_средн. и С_{равном.}, комфорту отдают больший приоритет, чем стоимости отопления, в то время как меньшие веса подчеркивают важность стоимости отопления. При решении задачи минимизации формула 1 дает оптимальные значения Q_{электр.} и Q_пол., обеспечивая, таким образом, баланс комфорта и стоимости.

В общем случае с системой, состоящей из n различных источников тепла, каждый из которых передает в помещение тепло Q_i (i∈{1, 2…, n}), задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом:

при условии, что:

где С_{комфорт} означает комфорт в помещении и является функцией тепла, подаваемого отдельными источниками тепла, и параметров внешней среды, обозначенной как Вн. среда. Параметрами среды являются: температура, влажность, скорость ветра и т.д.

Способ и система предназначены для управления климатом окружающей среды, например здания, обменивающегося тепловой энергией с внешней средой. Энергия поступает в окружающую среду от, например, радиаторов, средств отопления пола, электровентиляторов и т. д. Согласно предлагаемому способу определяют критерий комфорта, выраженный в числовом виде, и вес значимости соответствия критерию комфорта, выраженный в числовом виде. Затем принимают количество энергии равным определенному значению и исходя из этого значения определяют числовое выражение степени соответствия критерию комфорта и числовое выражение затрат на обеспечение такого количества энергии. Технический результат - снижение затрат энергии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления климатом среды (1), обменивающейся тепловой энергией с внешней средой (12) и снабженной средствами подачи тепловой энергии (11, 10), включающий следующие этапы:
определяют критерий комфорта, в численном выражении, и вес значимости соответствия критерию комфорта в численном выражении,
принимают количество подаваемой энергии равным определенному значению;
обеспечивают с учетом этого количества численное выражение степени соответствия критерию комфорта и численное выражение затрат, связанных с подачей соответствующего количества тепловой энергии, причем тепловую энергию подают от первого источника и второго источника, при этом указанный способ также включает следующие этапы:
определяют комбинации различных количеств энергии, подаваемой от каждого источника;
обеспечивают для каждой комбинации численное выражение степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей соответствующего количества тепловой энергии от каждого источника;
выбирают комбинацию на основе численного выражения степени соответствия критерию комфорта и численного выражения затрат, связанных с подачей соответствующего количества тепловой энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта и степени соответствия критерию комфорта сравнивают с численным выражением затрат, связанных с подачей упомянутого количества энергии.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта, степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей упомянутого количества энергии, комбинируют в один числовой показатель соответствия критерию комфорта и потребления энергии.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что численные выражения критерия комфорта, веса значимости соответствия критерию комфорта, степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей указанного количества энергии, комбинируют в один числовой показатель, вычитая из затрат произведение степени соответствия и веса значимости соответствия критерию комфорта.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что принимают несколько значений количества подаваемой энергии, причем сравнивают числовой показатель соответствия критерию комфорта и потребления энергии для каждого принимаемого значения количества энергии и на основе этого сравнения выбирают количество энергии.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что в качестве количества энергии выбирают количество энергии, приводящее к наименьшему числовому показателю соответствия критерию комфорта и потребления энергии.

7. Способ по любому из пп.1, 2, 4, 5, отличающийся тем, что критерий комфорта определяет, по меньшей мере один из следующих параметров:
разницу между средней температурой и заданной температурой среды;
промежуток времени, в течение которого средняя температура отличается от заданной температуры;
заданную максимальную разность между температурой локальной области среды и средней температурой среды.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый источник оценивают на основе, по меньшей мере, одного из следующих свойств источника:
способность уменьшать ток холодного воздуха;
способность уменьшать асимметричное тепловое излучение;
способность изменять влажность;
скорость, с которой он изменяет температуру среды.

9. Система управления климатом среды, содержащая средства подачи тепловой энергии и средства управления, выполненные с возможностью функционирования в соответствии со способом по пп.1-8, причем средства подачи энергии содержат первый и второй источники тепловой энергии, выполненные с возможностью отдельного использования, а указанные средства управления предназначены для
определения комбинаций различных количеств энергии, подаваемой от каждого источника;
обеспечения для каждой комбинации численного выражения степени соответствия критерию комфорта и затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии от каждого источника;
выбора комбинации на основе численного выражения степени соответствия критерию комфорта и численного выражения затрат, связанных с подачей соответствующего количества энергии.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что источники отличаются друг от друга скоростью передачи тепловой энергии.

11. Система по п.9 или 10, отличающаяся тем, что источники отличаются друг от друга видом энергии, потребляемой ими для передачи тепловой энергии.

12. Система по п.9 или 10, отличающаяся тем, что стоимость количества тепловой энергии, подаваемой от второго источника, выше стоимости такого же количества энергии, подаваемой от первого источника.

13. Система по п.9 или 10, отличающаяся тем, что источники отличаются друг от друга местом расположения в среде.

14. Система по п.9 или 10, выполненная с возможностью определения количества тепловой энергии Q_общ., необходимого для компенсации энергии, которой она обменивается с внешней средой, и распределения Q_общ. между первым и вторым источниками.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что указанное распределение происходит на основе сигнала, принимаемого от, по меньшей мере, одного датчика, выполненного с возможностью измерения физической величины, соответствующей заданному критерию комфорта.