ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЕМ Российский патент 2021 года по МПК F24F11/00 G05D23/13 G05D23/19 

Настоящее изобретение относится к электронному устройству и способу регулирования терможидкостных установок для зданий.

Оптимизация комфорта окружения в зданиях является темой, которая становится все более важной. Научная литература сообщает о значительном числе исследовательских работ, которые показывают, как несколько аспектов комфорта, в частности, тепловой комфорт и качество воздуха, непосредственно связаны с благополучием жильцов, а в рабочих окружениях, с их производительностью.

Очень часто поддержание желаемых значений параметров, таких как температура, относительная влажность и концентрация загрязняющих веществ в окружающей среде, не является ни простым, ни экономичным. Согласно предназначенному использованию здания, типу установки, установленной в нем, и интервалам времени и режимам его использования, параметры окружения могут управляться различными способами.

Хотя на рынке доступны терможидкостные системы, которые включают в себя интегрированные системы управления и регулирования текущего уровня техники, большинство установок, установленных в относящихся к сфере услуг зданиях, управляются посредством логик управления на основе стандартных значений, как противоположность фактическим требованиям окружения.

Очень часто, в действительности, температуры воздуха внутри помещений регулируются на основе значения температуры воздуха снаружи помещения (управление с разомкнутым контуром).

В таких случаях горячая вода, производимая посредством генерирующей системы, ассоциированной со зданием для управления, смешивается с рециркулирующей водой для того, чтобы подавать в распределительную систему здания воду при температуре, определенной на основе температур наружного воздуха. Таким образом, генерирующая система требует наличия датчика внешней температуры и смесительного вентиля, расположенного ниже по потоку от места формирования горячей воды и выше по потоку от места распределения воды в распределительной системе здания.

В случае водных установок только с терморегулированием, т.е. нагревом или охлаждением посредством излучающих систем, таких как радиаторы, блоки вентиляторных теплообменников, излучающие панели, и т.д., типичная работа терможидкостных установок следует вышеописанным логическим схемам.

В случае объединенных воздушно-водных систем или только воздушных систем, в которых терморегулирование дополняется регулированием качества воздуха, регулирование является гораздо более сложным. Внешний или рециркулирующий воздух, перед доставкой в окружающую среду, должен быть надлежащим образом обработан, т.е. нагрет, охлажден или осушен при необходимости.

В этих случаях регулирование выполняется на двух уровнях: первый уровень относится к нагреву/охлаждению текучих сред, которые должны подаваться к отопительным/охладительным батареям ATU (блоков обработки воздуха) через смесительные вентили.

Второй уровень касается подачи обработанного воздуха в окружающую среду через регулируемые заслонки.

С тепловой точки зрения, текучие среды следуют логическим схемам управления, которые аналогичны логическим схемам управления, применяемым для водных установок.

Что касается регулирования воздушных потоков в окружение, управление воздействует как на заслонки для впуска внешнего воздуха (которые определяют доли свежего и рециркулируемого воздуха), так и на заслонки для восстановления отработанного воздуха, приходящего из того же окружения, и на заслонки, размещенные на трубах, которые ведут к воздуховпускным оконечным устройствам, присутствующим в окружении.

В настоящее время, в большинстве случаев регулирующие устройства (смесительные вентили и заслонки) объединяются в сами установки, а их работа диктуется стандартными практиками, в которых задаются фиксированные значения, основанные на проектных данных, а не на фактических требованиях к окружению. Поскольку они являются потребляющими энергию системами, неправильный подход к регулировке установки влечет за собой более высокие энергетические затраты.

Управление с замкнутым контуром окружающими условиями из самого здания будут предоставлять возможность, с другой стороны, поддерживать комфорт в здании под управлением более эффективно, в то время как, с другой стороны, оно будет учитывать любые влияния свободной энергии (солнечного излучения, освещения, числа людей в здании, наличия компьютеров и/или принтеров и т.д.) в обрабатываемой окружающей среде.

Это управление с замкнутым контуром в настоящее время не осуществляется, поскольку это потребует чрезмерно сложных и дорогостоящих модификаций в блоках управления таких систем.

Цель настоящего изобретения, следовательно, заключается в том, чтобы создать электронное устройство и способ для управления терможидкостными установками, используемыми в зданиях, которые предоставляют возможность управления в режиме замкнутого контура микроклиматом здания без необходимости сложных вмешательств в существующие системы.

Эта и другие цели достигаются посредством электронного устройства для управления терможидкостной установкой, отличительные признаки которой определяются в пункте 1 формулы изобретения, и способа для регулирования температуры и уровня углекислого газа терможидкостной установки, который изложен в пунктах 4 и 5 формулы изобретения.

Конкретные варианты осуществления излагаются в зависимых пунктах формулы, чье содержимое должно пониматься как составляющая одно целое часть настоящего описания.

Дополнительные характеристики и преимущества изобретения станут понятны из последующего подробного описания, предоставленного просто в качестве неограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 - блок-схема электронного устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 - схема здания, в котором климатические условия регулируются посредством системы с разомкнутым контуром;

Фиг. 3 - схема блока обработки воздуха; и

Фиг. 4 - блок-схема способа регулирования температуры/уровня углекислого газа, выполняемого посредством устройства на фиг. 1.

Фиг. 1 показывает устройство для регулирования климатических условий здания согласно настоящему изобретению.

Устройство 1 применяется для ассоциирования с традиционной отопительной/охладительной системой здания (типа, включающего в себя блок обогрева или охлаждения, который отправляет горячую или холодную воду в распределительную систему здания посредством открытия/закрытия смесительного вентиля), или более обобщенно с HVAC-системой (обогрев, вентиляция и кондиционирование воздуха), также содержащей, как упомянуто выше, блок обработки воздуха.

Фиг. 2 показывает традиционную систему отопления, содержащую отопительный блок 50 (или, как альтернативу, блок охлаждения), смесительный вентиль 52 и отопительное устройство 54 (или, как альтернативу, охлаждающее устройство) здания 56. Горячая (или холодная) вода доставляется посредством блока 50 в здание 56 в направлении, показанном стрелкой A, посредством открытия/закрытия смесительного вентиля 52.

Фиг. 3 показывает ATU 80, включающий в себя отопительную батарею 82, охлаждающую батарею 84 и пост-отопительную батарею 85.

Первая труба 86 предоставляет возможность внешнему воздуху поступать и протекать, через первую заслонку 88, к ATU 80, в то время как вторая труба 90 обеспечивает рециркуляцию воздуха, исходящего из здания (не показано на чертеже), по направлению к ATU 80, через вторую заслонку 92.

Смесительные вентили 52', аналогично смесительному вентилю 52, ассоциируются с отопительной батареей 82, охлаждающей батареей 84 и пост-отопительной батареей 85, причем эти вентили применяются для регулирования потоков горячей/холодной воды в ATU 80 для того, чтобы нагревать/охлаждать наружный воздух или рециркулирующий воздух.

Обработанный воздух затем вытекает из ATU 80 и отправляется, через третью трубу 94, в управляемое здание.

Обращаясь обратно к фиг. 1, устройство 1 содержит блок 2 управления, например, микропроцессор, который приспособлен принимать:

- основной сигнал 4, исходящий из известной по сути системы диспетчеризации здания (BMS);

- опорный сигнал 6, предпочтительно сигнал температуры, задаваемый пользователем и представляющий желаемый параметр для рассматриваемого здания;

- относящиеся к окружению сигналы 8, исходящие от датчиков окружения, расположенных в здании (не показаны на чертеже), которые применяются, чтобы измерять параметры окружения, такие как температура, влажность, уровень углекислого газа и т.д.

Система управления зданием является существующей системой, ассоциированной с управляемым зданием и применяемой для подачи управляющих сигналов смесительным вентилям 52, 52' и/или заслонкам 88, 92 для открытия/закрытия воздушных труб 86, 90 ATU 80.

Блок 2 управления применяется для выдачи управляющего сигнала 10 актуатору соответствующего смесительного вентиля 52, 52' или заслонки 88, 92. В частности, такие управляющие сигналы 10 отправляются соответствующим актуаторам вентилей 52, 52' и заслонок 88, 92, которые соответственно открывают/закрывают вентили 52, 52' и заслонки 88, 92.

Блок 2 управления снабжается питанием известным по сути, например, через 24 В или 220 В сигнал мощности.

Для того чтобы получать управляющий сигнал 10, блок 2 управления выполняет процесс регулирования температуры и/или процесс регулирования уровня углекислого газа, соответственно, которые будут описаны более подробно ниже.

Устройство 1 согласно настоящему изобретению является электронным устройством, приспособленным для создания системы с замкнутым контуром в системе отопления/охлаждения здания посредством объединения информации, исходящей от датчиков окружения.

Актуаторы, которые принимают соответствующий управляющий сигнал 10, приспосабливаются, чтобы изменять процентную долю открытия трехходового смесительного вентиля 52, 52' или процентную долю открытия заслонки 88, 92.

Устройство 1 устанавливается выше по потоку от каждого актуатора, между кабелем, который несет основной сигнал 4, и самим актуатором.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения управляющий сигнал 10 предлагает модификацию в основном сигнале 4, который должен прикладываться к актуатору.

Посредством управляющих актуаторов можно регулировать открытие/закрытие заслонок 88, 92 блока 80 обработки воздуха и расход горячей/холодной воды, исходящей из отопительных/охлаждающих блоков, для того, чтобы добиваться желаемого комфорта.

Устройство 1 управления согласно настоящему изобретению предоставляет возможность уменьшения затрат на интеграцию в существующие системы.

Оно работает согласно логическим схемам IoT (Интернета вещей); оно может считывать аналоговые сигналы и, посредством обработки, создавать новые сигналы.

Фиг. 4 показывает блок-схему способа регулирования температуры, выполняемого посредством блока 2 управления для регулирования температуры в здании.

Этот способ предпочтительно основывается на нечетком алгоритме, типа PID-регулятора с нечеткой логикой или возможно алгоритмах PID-регулятора с нечеткой логикой.

Нечеткая логика используется, поскольку она предоставляет возможность регулирования системы через формализацию идей, полученных из часто встречающегося опыта. Эти типы алгоритмов регулирования предлагают очень хорошую производительность и не требуют ни математического моделирования управляемой системы, ни оценки параметров PID-регулирования, которые не всегда бывают интуитивными.

Идея на основе этих алгоритмов заключается в том, что величина может также принимать, в дополнение к булевым значениям, набор значений, которые указывают степень истинности данного выражения.

Способ регулирования температуры согласно настоящему изобретению применяет, для того, чтобы регулировать внутреннюю температуру здания, алгоритм, посредством которого получается управляющий сигнал 10, который, посредством открытия или закрытия вентиля 52, 52' или заслонки 88, 92 блока 80 обработки воздуха, предоставляет возможность получать желаемую температуру (или уровень углекислого газа) внутри здания.

На фиг. 4 опорное значение, например, опорная температура T_rif, определяется пользователем и передается блоку 2 управления через сигнал 6 температуры. Блок 100 суммирования в блоке 2 управления вычисляет погрешность e(t) между опорной температурой T_rif и внутренней температурой T_interna здания, измеренной посредством датчика температуры, установленного внутри здания, и отправленной блоку 2 управления через один из относящихся к окружению сигналов 8.

Погрешность e(t) и ее первая производная de(t)/dt отправляются в блок 102 регулятора с нечетким алгоритмом блока 2 управления, который, посредством известного по сути нечеткого алгоритма, сравнивает основной сигнал 4 с сигналами e(t) и de(t)/dt погрешности и, в свою очередь, производит управляющий сигнал 10, направляемый к вентилю 52, 52'.

Предпочтительно, устройство 1 отправляет сигнал 0-10 В актуатору вентиля 52, 52' для открытия/закрытия.

Насколько касается регулирования уровня углекислого газа, управляющий сигнал 10 вычисляется, следуя схеме, аналогичной схеме на фиг. 4, на основе опорного значения C_rif уровня углекислого газа и измеренного значения C_interno уровня углекислого газа, и отправляется открывающей/закрывающей заслонке 88, 92 блока 80 обработки воздуха HVAC-системы.

Две входные переменные используются вышеописанным алгоритмом управления и для регулирования температуры, и для регулирования углекислого газа, т.е. погрешность e(t) регулирования и ее производная de(t)/dt.

В способах согласно настоящему изобретению погрешность e(t) и ее разброс Δe(t) используются в качестве предпосылки. Нечеткая импликация между этими переменными и управляющим сигналом 10 может быть получена из существующей литературы (см., например, статью "Design and simulation of self-tuning PID-type fuzzy adaptive control for an expert HVAC system" Сервета Сойгадера, Мехмета Каракоса, Хасана Али, ELSEVIER, Expert Systems with Applications 36 (2009) 4566-4573 или статьи "Self-Tuning Fuzzy PI Controller and its Application to HVAC Systems" А. К. Пала и Р. К. Мади, INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTATIONAL COGINTION (HTTP://WWW.IJCC.US), том 6 № 1, март 2008.

Конечно, без ущерба принципу изобретения, формы варианта осуществления и детали реализации могут активно изменяться от форм и деталей, описанных и иллюстрированных в данном документе в качестве неограничивающего примера, однако, без отступления от рамок защиты настоящего изобретения, которые изложены в прилагаемой формуле изобретения.

Настоящее изобретение относится к электронному устройству и способу регулирования терможидкостных установок для зданий. Создано электронное устройство (1) для регулирования терможидкостной системы для здания (56), содержащего отопительную/охладительную систему (50, 54; 80, 82, 84, 85), включающую в себя смесительные вентили (52, 52'), приспособленные для регулирования потоков горячей/холодной воды в упомянутой отопительной/охладительной системе (50, 54; 80, 82, 84, 85). Устройство (1) содержит блок (2) управления, который может: принимать основной сигнал (4) от системы (56) управления зданием; принимать заданный опорный сигнал (6), представляющий желаемый параметр для здания (56); принимать относящиеся к окружению сигналы (8) от датчиков окружения, размещенных в здании (56) и применяемых, чтобы измерять параметры окружения упомянутого здания (56); выдавать управляющий сигнал (10) актуатору, связанному с соответствующим смесительным вентилем (52, 52'), чтобы модифицировать его открытие или закрытие. Технический результат – улучшение характеристик системы управления зданием. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электронное устройство (1) для регулирования терможидкостной установки для здания (56), содержащего отопительную/охладительную систему (50, 54; 80, 82, 84, 85), включающую в себя смесительные вентили (52, 52'), применяемые для регулирования потоков горячей/холодной воды в упомянутой отопительной/охладительной системе (50, 54; 80, 82, 84, 85), при этом устройство (1) содержит блок (2) управления, выполненный с возможностью:

- приема основного сигнала (4) от системы (56) управления зданием;

- приема заданного опорного сигнала (6), представляющего желаемый параметр для здания (56);

- приема относящихся к окружению сигналов (8) от датчиков окружения, размещенных в здании (56) и выполненных с возможностью измерения параметров окружения здания (56);

- выдачи управляющего сигнала (10) актуатору, связанному с соответствующим смесительным вентилем (52, 52'), для модифицирования его открытия или закрытия;

отличающееся тем, что оно предварительно размещено между кабелем, который несет основной сигнал (4), и соответствующим актуатором, связанным с одним из смесительных вентилей (52, 52'), при этом блок (2) управления содержит:

- блок (100) суммирования для вычисления сигнала (e(t)) погрешности между опорным сигналом (6) и одним из относящихся к окружению сигналов (8);

- блок производной для получения производной сигнала (de(t)/dt) первой производной погрешности упомянутого сигнала (e(t)) погрешности;

- блок (102) регулятора с нечетким алгоритмом для применения нечеткого алгоритма для сравнения основного сигнала (4) с сигналами погрешности (e(t)) и первой производной (de(t)/dt) погрешности, чтобы получить управляющий сигнал (10), который предлагает модификацию основного сигнала (4), применяемого для упомянутого актуатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что терможидкостная установка для здания (56) дополнительно содержит блок (80) обработки воздуха, включающий в себя заслонки (88, 92), обеспечивающие возможность поступления воздуха снаружи здания (56) или рециркуляции воздуха из здания (56) в блок (80) обработки воздуха, при этом устройство (1) также выполнено с возможностью отправки управляющего сигнала (10) актуатору, связанному с соответствующей заслонкой (88, 92), для управления ее открытием или закрытием.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что управляющие сигналы (10) предлагают модификации основного сигнала (4) для получения заданной процентной доли открытия или закрытия смесительных вентилей (52, 52') или заслонок (88, 92).

4. Способ регулирования температуры терможидкостной установки для здания (56), отличающийся тем, что:

- размещают устройство по любому из пп. 1-3 между кабелем, который несет основной сигнал (4), и соответствующим актуатором, связанным с одним из смесительных вентилей (52, 52');

- принимают опорный сигнал (T_rif, 6) температуры;

- вычисляют погрешность (e(t)) между опорной температурой (6) и внутренней температурой (8, T_interna), измеренной внутри здания;

- вычисляют первую производную погрешности (de(t)/dt);

- применяют нечеткий алгоритм для сравнения основного сигнала (4) с сигналами погрешности (e(t)) и первой производной (de(t)/dt) погрешности, чтобы получать управляющий сигнал (10), направляемый к смесительному вентилю (52, 52').

5. Способ регулирования уровня углекислого газа терможидкостной установки для здания (56), отличающийся тем, что:

- предварительно размещают устройство по п. 2 или 3 между кабелем, который несет основной сигнал (4), и соответствующим актуатором, связанным с одной из заслонок (88, 92);

- принимают опорный сигнал (C_rif, 6) уровня углекислого газа;

- вычисляют погрешность (e(t)) между опорным уровнем (6) углекислого газа и внутренним уровнем (8, C_interno) углекислого газа, измеренным внутри здания (56);

- вычисляют первую производную погрешности (de(t)/dt);

- применяют нечеткий алгоритм для сравнения основного сигнала (4) с сигналами погрешности (e(t)) и первой производной (de(t)/dt) погрешности, чтобы получать управляющий сигнал (10), направляемый к заслонке (88, 92).