TWI551830B - 用於暖通空調系統之控制裝置及其方法 - Google Patents

用於暖通空調系統之控制裝置及其方法 Download PDF

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Description

用於暖通空調系統之控制裝置及其方法
本揭露係關於一種控制裝置及其方法，尤指一種用於暖通空調系統之控制裝置及其方法。
空調系統係將建築物內之溫度、濕度、壓力、風速及清靜度等等控制在指定之範圍內，使建築物內的人員能在舒適的環境內生活，而暖通空調(Heating,Ventilation and Air Conditioning，HVAC)為習知技藝人員耳熟能詳之空調系統之一。
然而，空調裝置之傳統控制方法係人為定義固定數值，無法因地制宜地適用於各種狀況，若設定不當，不僅使建築物內之環境舒適度下降，亦會造成空調系統之耗電量隨之增加，實缺乏多方面環境因素的考量。
另外，隨著環保議題風行，各界莫不致力於節能減碳，而一般日常生活的號電往往以空調系統耗電量占大多數比例，若能針對空調系統進行節能，不啻是節省能源上之一大進步。
是故，如何考量室內環境因素如溫度及濕度等，又可 維護在場人員的環境舒適度，進而減少耗電量，實為現今欲所需改進之技術問題。
本揭露揭示一種用於暖通空調系統之控制裝置，該暖通空調系統係用以調節室內狀態，該用於暖通空調系統之控制裝置包含：建物熱負載模組，係依據建物外殼資料以建立建物熱負載模型；資料收集模組，係用以收集場域狀態資料及設定資料；最佳化模組，係整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料及該設定資料並進行最佳化計算，以產生最佳化資料；以及控制器，係依據該最佳化資料對該暖通空調系統進行控制，以調節該室內狀態。
本揭露揭示一種用於暖通空調系統之控制方法，該暖通空調系統係用以調節室內狀態，該用於暖通空調系統之控制方法包括：擷取建物外殼資料以建立建物熱負載模型，以及收集場域狀態資料和設定資料；整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料及該設定資料並進行最佳化計算，以產生最佳化資料；以及依據該最佳化資料對該暖通空調系統進行控制，以調節該室內狀態。
藉此，本揭露可解決先前技術所述之缺乏環境因素考量及維持建築物內舒適度整合的問題。
2、2’、2”‧‧‧控制設備
13、23、43‧‧‧資料收集模組
16、26、46‧‧‧建物熱負載模組
17、27、47‧‧‧最佳化模組
18、28、48‧‧‧控制器
21‧‧‧感測器
22‧‧‧設定器
24、44‧‧‧資料庫
25、45‧‧‧通訊模組
29‧‧‧耗電量
431‧‧‧室內溫度及室內濕度
432‧‧‧溫度設定值
433‧‧‧氣體濃度
434‧‧‧判斷程序
8‧‧‧網路
9‧‧‧暖通空調系統
S31至S33‧‧‧步驟
第1圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置示意圖；第2A圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置 之第一實施例示意圖；第2B圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置之第二實施例示意圖；第2C圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置之第三實施例示意圖；第3圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制方法主要流程步驟示意圖；及第4圖係為本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置及其方法之應用說明範例。
以下係藉由特定的具體實例說明本揭露之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點及功效。本揭露亦可以其它不同的方式予以實施，即，在不悖離本揭露所揭示之範疇下，能予不同之修飾與改變。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本揭露所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
請參照第1圖，係為本揭露用於暖通空調系統9之控制裝置之架構示意圖，該用於暖通空調系統9之控制裝置 主要包括資料收集模組13、建物熱負載模組16、最佳化模組17和控制器18。
資料收集模組13用以收集場域狀態資料及設定資料。所述場域狀態資料例如有害氣體濃度(如二氧化碳)、室內溫度、室內濕度或該暖通空調系統9的耗電量，所述設定資料例如室內溫度設定值，即使用者操作冷氣或風扇遙控器的設定值。
建物熱負載模組16用以擷取建物外殼資料以建立建物熱負載模型。所述建物外殼資料例如形成室內空間之建物建材的性質以及該建物建材的面積數值。此外，所述建物外殼資料儲存於一資料庫(未圖式)中。
最佳化模組17整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料和設定資料並進行最佳化計算以產生最佳化資料。例如，以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear Quadratic Gaussian(LQG)為基礎之控制演算法來進行該最佳化計算，所述控制演算法可為H2、H∞或混合型H2/H∞。
控制器18依據該最佳化資料對該暖通空調系統9進行控制，以調節該室內狀態，俾達到該暖通空調系統9之節能及室內舒適度之功效。
另外，本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置更包含通訊模組(未圖式)，該建物熱負載模組16可設置於遠端，並藉由該通訊模組與該最佳化模組17進行資料傳輸；或者，該建物熱負載模組16及該最佳化模組17設置於遠端，並藉由該通訊模組與該資料收集模組13和該控制器18進 行資料傳輸。
請參照第2A圖，係用以顯示本揭露之用於暖通空調系統9之控制裝置之第一實施例示意圖，包含感測器21、設定器22、資料收集模組23、資料庫24、通訊模組25、建物熱負載模組26、最佳化模組27及控制器28。
該資料收集模組23用以收集該感測器21感測該室內狀態所得之場域狀態資料、該設定器22設定該室內狀態之設定資料及該暖通空調系統9之耗電量29，上述場域狀態資料可為氣體濃度如二氧化碳濃度、室內溫度與室內濕度等，而上述設定資料係為室內溫度設定值。
該資料庫24用以儲存建物外殼資料，如室內空間之建物建材如牆壁、天花板、地板、窗戶及門等材料性質以及該建物建材的面積，其中，該建物建材的性質係為該建物建材之總熱傳係數與熱阻。
該通訊模組25透過網路8接收該資料庫24之建物外殼資料並傳輸至該建物熱負載模組26。
該建物熱負載模組26擷取該建物外殼資料以建立建物熱負載模型，其中，建立該建物熱負載模型之計算式為，該計算式之A值為建物建材之面積、U值係為單位面積的建物建材之熱傳係數、t為時間，T in 為室內溫度，T out 為室外溫度，而Tout為常數或對於時間之變化極小，故dTout/dt趨近為零，其中，該U值之計算式為，R係為該建物建材之熱阻，Q in 為熱流率，Q loss 為熱損失率，m為建築物內體積質量，可由m=ρ×V獲得， ρ為空氣體積密度(1.205Kg/m 3)，V為建築物內體積，c為建築物內空氣比熱(1.005kJ/kg.K)，且熱流率、熱損失率、室內溫度及室外溫度之間關係的方程式係如下方程式(1)及(2)所示，且將方程式(2)代入方程式(1)中即可得到該計算式，而該計算式請參考資料來源Approved Document L Part 1A(2006 edition)sets the following‘reasonable limits’及DESIGN OF EMBEDDED CONTROLLER USING HYBRID SYSTEMS FOR INTEGRATED BUILDING SYSTEMS(2006)。
Q loss =UA(T in -T out )-------------------(2)
該最佳化模組27整合前述場域狀態資料、設定資料及建物熱負載模型並進行最佳化計算以產生最佳化資料，係以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear Quadratic Gaussian(LQG)為基礎之控制演算法進行最佳化計算，而該控制演算法例如為H2、H∞或混合型H2/H∞計算式。
該控制器28係依據該最佳化模組27所得之最佳化資料對該暖通空調系統9進行控制，進而調節室內溫度、室內濕度或該暖通空調系統9的風量等，以保持室內環境的舒適度，且如上所述，該資料收集模組23將該暖通空調系統9的耗電量29也列為該最佳化模組27的考量因素之一，又可達到控制耗電量之效果。
另外，本揭露之用於暖通空調系統9之控制裝置可將資料庫24以雲端方式設置，並藉由網路8與整合為一控制設備2之資料收集模組23、通訊模組25、建物熱負載模組 26、最佳化模組27和控制器28進行資料傳輸。
請參照第2B圖，係用以顯示本揭露用於暖通空調系統之控制裝置之第二實施例示意圖。如第2B圖所示，該建物熱負載模組26與該資料庫24可同時設置於雲端，並藉由網路8與整合為一控制設備2’之資料收集模組23、通訊模組25、最佳化模組27和控制器28進行資料傳輸。
請參照第2C圖，係用以顯示本揭露用於暖通空調系統之控制裝置之第三實施例示意圖，該建物熱負載模組26、該最佳化模組27與該資料庫24也可設置於雲端，並藉由網路8與整合為一控制設備2”之資料收集模組23、通訊模組25和控制器28進行資料傳輸。
藉由第2A至2C圖所示之三種不同實施例型態，使用者可因應各種室內空間因素及自身需求而進行不同的設備配置，更可因應於不同的商業形態而進行改變，達到促進經濟效益的效果。
請參照第3圖，係用以顯示本揭露之用於暖通空調系統之控制方法之主要流程步驟，首先，於步驟S31中，擷取建物外殼資料以建立建物熱負載模型並收集場域狀態資料和設定資料；接著進行步驟S32，整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料及該設定資料並進行最佳化計算，以產生最佳化資料；最後執行步驟S33，依據該最佳化資料對該暖通空調系統進行控制，以調節室內狀態。
請參照第4圖，表示本揭露之用於暖通空調系統之控制裝置及方法之應用範例之說明示意圖。
資料庫44中儲存有室內建材及材料性質等建物外殼資料，建物熱負載模組46透過網路8擷取所述建物外殼資料，並以之計算式建立建物熱負載模型。此外，室內設置有複數個資料收集模組43，可用以收集室內溫度及室內濕度431等場域狀態資料、室內溫度設定值432等設定資料、氣體濃度(如二氧化碳之濃度)433以及該暖通空調系統9的耗電量29等，若經過判斷程序434得知該氣體濃度超出一預設值時，則該資料收集模組43將一濃度過高的訊息輸出至控制器48，以調節室內的該氣體濃度至該預設值，若經過判斷程序434得知該氣體濃度未超出該預設值時，則該資料收集模組43繼續收集該氣體濃度的資料。此外，最佳化模組47整合該建物熱負載模型及該場域狀態資料和設定資料，並以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear Quadratic Gaussian(LQG)為基礎的H2或H∞之控制演算法進行最佳化計算，得出最佳化資料後輸出至控制器48，而該控制器48依據該最佳化資料控制該暖通空調系統9以調節室內溫度、室內濕度以及該暖通空調系統9的風量輸出，以保持室內環境的舒適度與控制該暖通空調系統的耗電量。
綜上所述，本揭露之控制裝置及方法係應用於暖通空調系統，以不影響建築物內對人體之環境舒適度前提之下，依據建築物相關參數、環境狀態以及暖通空調系統之耗電量等資料來調整暖通空調系統的運作，進而有效達到 耗電能控管以及維持環境舒適度之功效。
上述實施例僅為例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟悉此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
13‧‧‧資料收集模組
16‧‧‧建物熱負載模組
17‧‧‧最佳化模組
18‧‧‧控制器
9‧‧‧暖通空調系統

Claims (20)

  1. 一種用於暖通空調系統之控制裝置，該暖通空調系統係用以調節室內狀態，該用於暖通空調系統之控制裝置包含：建物熱負載模組，用以依據建物外殼資料以建立建物熱負載模型；資料收集模組，用以收集場域狀態資料及設定資料；最佳化模組，係整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料及該設定資料並進行最佳化計算，以產生最佳化資料；以及控制器，係依據該最佳化資料對該暖通空調系統進行控制，俾調節該室內狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，更包含資料庫，用以儲存該建物外殼資料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，更包含感測器及設定器，該感測器用以感測該室內狀態以產生該場域狀態資料，該設定器用以設定該室內狀態以產生該設定資料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，更包括通訊模組，該建物熱負載模組係設置於遠端，並藉由該通訊模組與該最佳化模組進行資料傳輸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控 制裝置，更包括通訊模組，該建物熱負載模組及該最佳化模組係設置於遠端，並藉由該通訊模組與該資料收集模組和該控制器進行資料傳輸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該場域狀態資料係為氣體濃度、室內溫度、室內濕度或該暖通空調系統的耗電量，該設定資料係為室內溫度設定值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，於該氣體濃度超出一預設值時，該資料收集模組將一濃度過高的訊息輸出至該控制器，則該控制器令該暖通空調系統調節該氣體濃度至該預設值，於該氣體濃度未超出該預設值時，該資料收集模組繼續收集該氣體濃度的資料。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該最佳化模組進行該最佳化計算以得出該最佳化資料並輸出至該控制器，而該控制器依據該最佳化資料控制該暖通空調系統以調節該室內溫度、該室內濕度以及該暖通空調系統的風量輸出，以保持室內環境的舒適度與控制該暖通空調系統的耗電量。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該建物外殼資料係為形成室內空間之建物建材的性質以及該建物建材的面積數值。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於暖通空調系統之控 制裝置，其中，該最佳化模組係以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear Quadratic Gaussian(LQG)為基礎之控制演算法來進行該最佳化計算。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該控制演算法係為H2、H∞或混合型H2/H∞。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，更包括通訊模組，用於自該資料庫中取得該建物外殼資料以傳輸至該建物熱負載模組。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該資料庫設置於雲端，並藉由網路與整合為一控制設備之該資料收集模組、該通訊模組、該建物熱負載模組、該最佳化模組和該控制器進行資料傳輸。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該建物熱負載模組與該資料庫設置於雲端，並藉由網路與整合為一控制設備之該資料收集模組、該通訊模組、該最佳化模組和該控制器進行資料傳輸。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之用於暖通空調系統之控制裝置，其中，該建物熱負載模組、該最佳化模組與該資料庫設置於雲端，並藉由網路與整合為一控制設備之該資料收集模組、該通訊模組和該控制器進行資料傳輸。
  16. 一種用於暖通空調系統之控制方法，該暖通空調系統用以調節室內狀態，該用於暖通空調系統之控制方法包含：擷取建物外殼資料以建立建物熱負載模型，以及收集場域狀態資料和設定資料；整合該建物熱負載模型、該場域狀態資料及該設定資料並進行最佳化計算，以產生最佳化資料；以及依據該最佳化資料對該暖通空調系統進行控制，俾調節該室內狀態。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之用於暖通空調系統之控制方法，其中，該場域狀態資料係指氣體濃度、室內溫度、室內濕度或該暖通空調系統的耗電量，該設定資料係為室內溫度設定值。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之用於暖通空調系統之控制方法，其中，該建物外殼資料為形成室內空間之建物建材的性質以及該建物建材的面積數值。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之用於暖通空調系統之控制方法，其中，該最佳化資料係以Linear Quadratic Regulator(LQR)或Linear Quadratic Gaussian(LQG)為基礎之控制演算法來進行該最佳化計算。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之用於暖通空調系統之控制方法，其中，該控制演算法係為H2、H∞或混合型H2/H∞。
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