專利名稱：能量底盤及能量交換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑、加熱與冷卻系統(tǒng)(HVAC)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，特別地，涉及用于感測(cè)和收集自然可再生能源的局部源以能夠通過(guò)使用完全集成的工廠組裝好的裝置來(lái)儲(chǔ)存能量和重分配能量從而有效地滿足建筑需要的系統(tǒng)、方法及裝置。背景及現(xiàn)有技術(shù)能量消耗成本和一些問(wèn)題商業(yè)建筑中的能量消耗是用于運(yùn)作和維持建筑的成本中非常昂貴的部分。例如，商業(yè)建筑具有昂貴的空氣調(diào)節(jié)與加熱需求，貫穿建筑的整個(gè)使用期的這種需求通常多達(dá)用于建設(shè)的最初成本的兩倍之多。多年以來(lái)，試圖減少能量消耗導(dǎo)致了建設(shè)成本上的大幅增力口，而在短期內(nèi)建設(shè)成本不能被收回?，F(xiàn)今美國(guó)使用的典型的商業(yè)建筑加熱與冷卻系統(tǒng)是變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)，典型配置的該系統(tǒng)不能利用可持續(xù)能源。建筑占美國(guó)使用的能源的40%并且?guī)缀跬耆冒嘿F且損壞環(huán)境的礦物燃料供以燃料。存在一些使這些HVAC系統(tǒng)能源效率低、危險(xiǎn)、不安的問(wèn)題，并且這對(duì)采用新技術(shù)造成了障礙。這些問(wèn)題包括·在建設(shè)成本上的壓力鼓勵(lì)所有者通過(guò)購(gòu)買不昂貴的、不經(jīng)濟(jì)的HVAC系統(tǒng)來(lái)保持前期成本很低·浪費(fèi)由冷卻裝置等排棄的多余能量，而不是將其移至需要的位置或者將其儲(chǔ)存起來(lái)供今后使用·由于不充分隔熱造成透過(guò)壁的高的能量運(yùn)動(dòng)一在常規(guī)系統(tǒng)中，殼體不是解決方案的一部分，然而在本發(fā)明中，可以將其制成能量?jī)?chǔ)存裝置·不斷地重新加熱和重新冷卻建筑體而不是將其保持在一定的溫度·建造過(guò)多的、效率低的系統(tǒng)，其可以被制造成更小·不能使用局部能源(例如，太陽(yáng)、身體熱量，等等)·當(dāng)加熱系統(tǒng)效率最低時(shí)加熱建筑，以及同樣地當(dāng)冷卻系統(tǒng)效率最低時(shí)冷卻建筑一利用能量?jī)?chǔ)存，其可以扭轉(zhuǎn)成提高效率·建立地?zé)嵯到y(tǒng)通常更加昂貴并且其功能未被設(shè)計(jì)為最大限度地提高效率，這樣就轉(zhuǎn)而減少了這些系統(tǒng)的使用發(fā)展中的迅速變化的替代能源技術(shù)被彼此分開地創(chuàng)建，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的功能，在沒(méi)有定制集成的情況下，并不共同工作。這些通常被證明是不可靠的或者失敗的。很少有工程公司具有研究和集成創(chuàng)新的解決方案的資源，并且因而通常不將其設(shè)計(jì)到客戶建筑中。在Carrier標(biāo)準(zhǔn)化被描述在美國(guó)專利第2，154，263號(hào)中的A/C單元之前，這是建造空氣調(diào)節(jié)單元的方式，在該專利中Willis Carrier獲得了用于機(jī)動(dòng)軌道車的標(biāo)準(zhǔn)制冷單元的專利。定制建造過(guò)程非常昂貴并且限制了市場(chǎng)使用，而標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品降低了成本并且擴(kuò)大市場(chǎng)。雖然我們了解到，存在局部可用的大量能源(例如身體熱量、照明熱量、計(jì)算機(jī)熱量、太陽(yáng)熱量、太陽(yáng)光伏電池、地?zé)?，等?，但是美國(guó)未能利用局部能量采集(即替代能源或者再生能源)的大量使用。于2009年9月，根據(jù)美國(guó)能源部，替代能源占低于美國(guó)使用的能量的1%。為了利用局部能量采集，建筑必須具有能夠感測(cè)不同類型的能量的可用性并且將該能量運(yùn)輸?shù)叫枰恢玫南到y(tǒng)。為了使該裝置有成本效益，其必須被足夠廉價(jià)地制造，從而與常規(guī)的HVAC系統(tǒng)相t匕，其費(fèi)用能夠被負(fù)擔(dān)得起。另外，為了使替代能源設(shè)備負(fù)擔(dān)得起，其必須具有比試圖使用的間歇性能源(例如，日落、人離開建筑、燈被關(guān)閉，等等)更長(zhǎng)的操作范圍(即，使用能量?jī)?chǔ)存)。這種間歇可用性可以通過(guò)儲(chǔ)存熱能被延伸，并且這轉(zhuǎn)而增加了在能量采集設(shè)備中進(jìn)行的投資的回報(bào)。因此，將能源感測(cè)、采集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及控制設(shè)計(jì)為能夠?qū)⒈姸鄟?lái)源與眾多用途連接的單個(gè)系統(tǒng)，這樣能夠高效應(yīng)用替代能源并且增加在所需設(shè)備中進(jìn)行的投資的回報(bào)，以使其負(fù)擔(dān)得起HVAC設(shè)備的當(dāng)前市場(chǎng)成本閾值。地?zé)釤岜?熱量交換器成本及一些問(wèn)題典型的地?zé)釤岜脽崃拷粨Q器涉及多種配置，包括垂直閉合循環(huán)、水平閉合循環(huán)、“緊身(siinky)”循環(huán)、池塘循環(huán)(pond loop)、熱樁,等等,但是一般在應(yīng)用于系統(tǒng)時(shí),這些配置具有以下特征I.應(yīng)用單一的流體回路(例如，垂直循環(huán)不與水平循環(huán)結(jié)合)2.在單一的流體回路中的流體以恒溫被混合和傳遞到全部加熱/冷卻裝置。這是在頒布給Ross的美國(guó)專利第7，571，762號(hào)和第7，407, 003號(hào)之中的情況，在這兩項(xiàng)專利中的裝置歧管均使所有的地?zé)峥滓黄鸹旌狭黧w。由于流體和終端熱量傳遞裝置之間的溫度差的減少，導(dǎo)致這種溫度的混合削弱了其傳遞熱量的能力。溫度差越大，熱量傳遞就越大，并且相反地，溫度差越小，熱量傳遞就越小。當(dāng)前的地?zé)釤崃拷粨Q器設(shè)計(jì)未被優(yōu)化成提供較冷的水用以支持可感測(cè)的冷卻裝置，例如輻射冷卻板和冷梁。相反，它們將較高溫度和較低溫度的水混合在一起，這樣降低了給這些裝置提供可感測(cè)的冷卻的能力。另外，當(dāng)前的地?zé)釤崃拷粨Q器設(shè)計(jì)未被配置成通過(guò)混合/結(jié)合不同的熱量交換器配置來(lái)使儲(chǔ)存能量以供今后使用的能力最大化?，F(xiàn)有技術(shù)包括由多種類型的可選擇的HVAC設(shè)備例如Ni shman美國(guó)專利第4，375，806號(hào)構(gòu)成的組合，該專利將地?zé)嵯到y(tǒng)與太陽(yáng)能熱水板和傳感器系統(tǒng)、電路、以及控制器組合在一起，其在效率高時(shí)僅使用太陽(yáng)能電池板和地?zé)嵯到y(tǒng)相結(jié)合。Nishman所要求權(quán)利的是一種基于兩個(gè)裝置的(僅)實(shí)時(shí)效率簡(jiǎn)單地打開或者閉合兩個(gè)源的系統(tǒng)(而不是隨著時(shí)間改善整個(gè)系統(tǒng)的效率)。本發(fā)明超越Nishman，其中兩個(gè)源被單獨(dú)控制，以能夠按可變水平利用每一個(gè)源來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。Ross的第7，571，762號(hào)和第7，407，003號(hào)專利提出了允許地?zé)嵫h(huán)相互并行地管道輸送的地?zé)崞绻?。該方法不考慮被分開用于不同用途的循環(huán)；其將所有的輸入端和所有的輸出端都組合到兩個(gè)管道系統(tǒng)中(一個(gè)進(jìn)，一個(gè)出)。本文推出的發(fā)明使用最優(yōu)循環(huán)的自動(dòng)選擇，并且可以同時(shí)地使用處于不同模式的循環(huán)，可以同時(shí)地使用不同類型的循環(huán)，或者為了效益如所期望的而混合循環(huán)流體。與Ross不同的是，本發(fā)明具有同時(shí)有效地加熱和冷卻的能力。通過(guò)熱泵或者直接同時(shí)從專用的熱的熱能儲(chǔ)存器和專用的冷的熱能儲(chǔ)存器可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在1982年11月23日頒布給O，Connell的美國(guó)專利第4，360，056號(hào)教導(dǎo)了一種具有單獨(dú)泵送的多個(gè)地?zé)嵫h(huán)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)仍將所有的地?zé)崃黧w結(jié)合或者混合到僅具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)輸出端的單個(gè)流體回路(用管道輸送的)系統(tǒng)中。其不考慮被同時(shí)使用的多個(gè)溫度流體和提高能源效率的功能。在1999年8月10日頒布給Dosanion的美國(guó)專利第5，934，369號(hào)描述了一種用于預(yù)測(cè)熱能儲(chǔ)存器/熱板的充能負(fù)載和充能時(shí)間的方法和控制器。與Dosani不同的是，本發(fā)明超越這一現(xiàn)有技術(shù)。熱能儲(chǔ)存器的預(yù)測(cè)和了解是有用的，然而它僅在與建筑負(fù)載預(yù)測(cè)、峰值/非峰值的電成本比結(jié)構(gòu)以及源和熱沉的控制相結(jié)合時(shí)才被完全地利用，如本文的發(fā)明所涵蓋的。在1998 年 7 月 14 日頒布給 Drees 的、標(biāo)題為 “Thermal storage systemcontroller and method (熱儲(chǔ)存系統(tǒng)控制器及方法)”的美國(guó)專利第5，778，683號(hào)指示了一種具有最高比結(jié)構(gòu)的利用率；其不使熱儲(chǔ)存器必需用于減小系統(tǒng)尺寸和用于提高可持續(xù)能源的可用性，而本發(fā)明這樣做。Drees推出一種利用率結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且確定了使用熱儲(chǔ)存器相對(duì)非熱儲(chǔ)存器的相對(duì)成本效益，以及還確定可以使用多少熱儲(chǔ)存容量。其不涵蓋Dosani發(fā)明的熱容量和充能/放能率預(yù)測(cè)/測(cè)量。由于其不結(jié)合這些輸入，因此其不能達(dá)到最高效率的能源使用解決方案。本發(fā)明具有創(chuàng)建最高效率的能源系統(tǒng)的附加功能。本發(fā)明還包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，以通過(guò)預(yù)測(cè)熱儲(chǔ)存性能連同其它的允許系統(tǒng)被恰當(dāng)?shù)囟ǔ叽绲囊驍?shù)的矩陣一起來(lái)增強(qiáng)效率節(jié)約，并且不在尺寸過(guò)大、效率較低的HVAC系統(tǒng)上浪費(fèi)最初成本投資。需要一種解決現(xiàn)有技術(shù)以上問(wèn)題的技術(shù)方案。發(fā)明概述本發(fā)明的主要目標(biāo)是提供用于簡(jiǎn)單實(shí)施的、多功能的、工廠生產(chǎn)的、獨(dú)立的(除源/熱沉/儲(chǔ)存器和管道之外)、完全集成的自動(dòng)化加熱與冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法及裝置，該自動(dòng)化加熱與冷卻系統(tǒng)包含建筑HVAC系統(tǒng)所需的方法和裝置，其中建筑HVAC系統(tǒng)包括但不局限于用于一個(gè)建筑或者建筑組的自動(dòng)化實(shí)時(shí)和未來(lái)能源要求預(yù)測(cè)，以更加有效地滿足建筑能源要求。這種能源管理能力使用具有能源感測(cè)、負(fù)載預(yù)測(cè)、采集、儲(chǔ)存、管理和運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)功能的裝置，以提高建筑加熱與冷卻系統(tǒng)的效率同時(shí)簡(jiǎn)化建筑能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)。與當(dāng)前可用的替代方案相比，該系統(tǒng)需要更少的定制工程、更少的現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)時(shí)間和復(fù)雜度。本發(fā)明的第二目標(biāo)是提供用于將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)存能源的系統(tǒng)、方法及裝置，其使用熱沉和計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)控制熱量交換器、制冷器、傳感器、電動(dòng)機(jī)、泵、閥、以及從多個(gè)局部源采集能源所需的能源收集裝置。本發(fā)明的第三目標(biāo)是提供系統(tǒng)、方法及裝置，以有效地將能源從產(chǎn)生地運(yùn)輸?shù)剿栉恢枚鴽](méi)有給建設(shè)過(guò)程帶來(lái)大量的復(fù)雜度。這包括給系統(tǒng)裝配屏幕，這允許其對(duì)實(shí)施過(guò)程來(lái)說(shuō)容易被定制。本發(fā)明的第四目標(biāo)是提供用于機(jī)械控制和計(jì)算機(jī)控制的流體混合確定以及包括用于控制能源的運(yùn)輸和交換的方法和裝置的互連功能和溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法及裝置。該功能促進(jìn)了普通及不普通能源的混合和使用所需的選擇、互連和轉(zhuǎn)換，從而更加有效地使用該能源。所述功能還促進(jìn)了包括太陽(yáng)能收集器、地?zé)釂卧?、能量回收單元、燃料電池和使用所述源并且允許該來(lái)源被混合以提高能量采集的效率所需的能源的其它來(lái)源的普通和不普通的裝置的選擇、轉(zhuǎn)換和互連，以使用連接至多個(gè)輸出端的多個(gè)輸入端，以及提供在能源協(xié)同作用上的顯著提高。本發(fā)明的第五目標(biāo)是提供用于提供下一代地?zé)釤崃拷粨Q器的完全集成的且自動(dòng)化的系統(tǒng)、方法及裝置，在單個(gè)實(shí)施方式中該下一代地?zé)釤崃拷粨Q器利用混合不同類型的循環(huán)的能力，以給一些循環(huán)充入熱能而其它的循環(huán)同時(shí)地被釋放熱能，以及將能源儲(chǔ)存在循環(huán)中，并且其將系統(tǒng)的智能和控制合并到可以被連接至任何形式的閉合循環(huán)地?zé)釤岜孟到y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中。該地?zé)釤崃拷粨Q器可以被用作對(duì)能源底盤(chassis)裝置(S卩，包括計(jì)算機(jī)、軟件、基于制冷劑的熱量傳遞裝置例如熱泵、循環(huán)泵以及變速傳動(dòng)裝置、互連管道、傳感器和控制裝置，以及管理和控制電子和HVAC系統(tǒng)所需的電子連接件、逆變器、開關(guān)、保險(xiǎn)絲和配線等等的完全中央加熱、冷卻及能源管理系統(tǒng))的可選補(bǔ)充，或者處于獨(dú)立的配置中以顯著地減少實(shí)施具有同等功能的地?zé)嵯到y(tǒng)所需的定制工程、建設(shè)時(shí)間和建設(shè)復(fù)雜度。 本發(fā)明的第六目標(biāo)是提供用于提供下一代地?zé)釤崃拷粨Q器的系統(tǒng)、方法及裝置，該下一代地?zé)釤崃拷粨Q器使用新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器和控制技術(shù)、先進(jìn)的加熱與冷卻概念以及為了技術(shù)的結(jié)合和集成將智能和控制平臺(tái)封裝到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中的功能，技術(shù)的結(jié)合和集成提高了地?zé)嵯到y(tǒng)的性能同時(shí)維持或者減少了系統(tǒng)的安裝成本。本發(fā)明的第七目標(biāo)是提供用于提供下一代地?zé)釤崃拷粨Q器的系統(tǒng)、方法及裝置，該下一代地?zé)釤崃拷粨Q器可以潛在地實(shí)現(xiàn)總冷卻負(fù)載的大約60%到大約80%的建筑顯冷卻(sensible cooling)，而沒(méi)有消耗能源的壓縮機(jī)的幫助并且可以被用作總建筑能源系統(tǒng)的一個(gè)部件，或者被用作獨(dú)立裝置/單元。本發(fā)明的第八目標(biāo)是提供用于管理和測(cè)量短期及長(zhǎng)期的按照混合配置(即在同一系統(tǒng)中多種類型的源/熱沉的組合)的熱能儲(chǔ)存器的系統(tǒng)、方法及裝置，除建筑構(gòu)造(結(jié)構(gòu))內(nèi)的能量?jī)?chǔ)存器之外，其經(jīng)由嵌入式液體循環(huán)加熱管道利用不同形式的地?zé)釤崃拷粨Q器配置，該嵌入式液體循環(huán)加熱管道還可以與其它的熱儲(chǔ)存器組合，例如相變材料/冷儲(chǔ)存器、冷水儲(chǔ)存器、相變材料/熱水儲(chǔ)存器，等等。本發(fā)明考慮與本領(lǐng)域中已知的所有熱能儲(chǔ)存器以及任何未來(lái)能量?jī)?chǔ)存器的集成。熱能儲(chǔ)存器的使用時(shí)移了從環(huán)境中采集的能量，因此當(dāng)原始源不可用時(shí)(例如，太陽(yáng)落下，不生成余熱，人們已經(jīng)離開建筑，等等)可以使用所采集的能量。這允許多個(gè)能量源被合并，以使當(dāng)一個(gè)源不充足或者太昂貴地實(shí)施以滿足全負(fù)荷要求時(shí)，可以使用多個(gè)源，來(lái)減少建造使每一個(gè)源可隨時(shí)處于可用的整個(gè)系統(tǒng)所需的資金量，從而可以按照預(yù)計(jì)的系統(tǒng)需要和優(yōu)化計(jì)算來(lái)可靠地使用它。本發(fā)明的第一實(shí)施方式提供一種用于確定在加熱與冷卻系統(tǒng)中包括儲(chǔ)存器的多個(gè)不同的熱能量源和熱沉的最優(yōu)化使用的方法。步驟包括確定儲(chǔ)存在可用于被系統(tǒng)提取或者利用的一個(gè)或多個(gè)熱源中的熱能；確定可用于被系統(tǒng)利用的一個(gè)或多個(gè)熱沉的熱能容量；確定一個(gè)或多個(gè)熱源、熱沉和儲(chǔ)存器的熱能儲(chǔ)存率和耗散率；分析預(yù)定時(shí)間段上的熱儲(chǔ)存容量；預(yù)測(cè)儲(chǔ)存周期上的熱能損益和熱存留；將可用的熱源與目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行比較；選擇熱源和熱沉中的至少一個(gè)；以及啟動(dòng)所選定的至少一個(gè)熱源和熱沉的使用。第二實(shí)施方式提供一種地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)不同的獨(dú)立的地?zé)崃黧w源和熱沉以及獨(dú)立循環(huán)或者分組的多個(gè)地?zé)釤崃拷粨Q器流體回路，以允許多個(gè)不同的地?zé)崃黧w源和熱沉被同時(shí)用作獨(dú)立源和熱沉，用來(lái)作為熱、冷或者其它溫度的流體源或者熱沉。獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)可以被專門用作熱儲(chǔ)存器，并且熱儲(chǔ)存器被設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存能源達(dá)預(yù)定時(shí)間段。多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)可以被配置成作為熱循環(huán)或者冷循環(huán)來(lái)優(yōu)化性能，以及多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的每個(gè)的流體的流被單獨(dú)地連接以通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制器控制來(lái)使用和混合。在一個(gè)實(shí)施方式中，地?zé)釤崃拷粨Q器與用于預(yù)定使用的選定的多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)連接。本發(fā)明的第三實(shí)施方式提供預(yù)制的中央能源設(shè)施，用于建筑、社區(qū)或校園中的空氣調(diào)節(jié)、加熱、通風(fēng)、電力、或者其中的任何組合的處理和運(yùn)輸。能源設(shè)施包括用于熱流體和電能的多個(gè)源和熱沉的多個(gè)連接件、各自具有獨(dú)立的流體溫度的多個(gè)獨(dú)立的流體線路、用于控制流體運(yùn)動(dòng)和混合的與多個(gè)獨(dú)立的流體線路中的至少一個(gè)連接的計(jì)算機(jī)控制閥和泵、以及用于感測(cè)溫度、流速、能量轉(zhuǎn)移速率和總能量轉(zhuǎn)移中的至少一個(gè)的至少一個(gè)計(jì)算機(jī)集成傳感器。能源設(shè)施還可以包括在預(yù)定的儲(chǔ)存期間內(nèi)專門用于熱儲(chǔ)存器的熱流體、冷流體和預(yù)定溫度的流體中的一個(gè)或多個(gè)的至少一個(gè)混合式流體熱沉和混合式流體源中的一個(gè)或多個(gè)。能源設(shè)施還可以包括連接至多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)的熱泵、連接在熱泵和多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)之間的控制閥、連接在熱泵和多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)之間的傳感器、以及被連接以用來(lái)將流體從多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)泵送至熱泵的泵，并且可以包括具有分開的供給管線和返回管線的兩端式分配集管，其將暖流體引導(dǎo)至兩端式分配集管的一端以及將比暖流體較冷的冷流體引導(dǎo)至兩端式分配集管的另一端。能源設(shè)施還可以包括裝配式橇裝單元或者模塊化可運(yùn)輸單元中的一個(gè)或多個(gè)，其中預(yù)制的中央能源設(shè)施是可擴(kuò)縮的并且可以通過(guò)添加第二模塊化可運(yùn)輸單元、家用熱水源、額外的加熱單元、額外的冷卻單元、額外的熱能儲(chǔ)存器單元、額外的傳感器、額外的泵、額外的閥等等中的至少一個(gè)來(lái)擴(kuò)展預(yù)制的中央能源設(shè)施。關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能源設(shè)施可以包括用于基于使用量來(lái)計(jì)量和計(jì)費(fèi)加熱與冷卻供給的一種或多種算法、由計(jì)算機(jī)執(zhí)行以可控制地混合流體和將流體移進(jìn)和移出多個(gè)流體源和熱沉中的一個(gè)或多個(gè)以及移進(jìn)和移出多個(gè)電力源中的一個(gè)或多個(gè)的人工智能軟件；用于配置和設(shè)置的集成軟件；以及用于跟蹤性能數(shù)據(jù)和與設(shè)計(jì)者和建筑操作者共享性能數(shù)據(jù)的軟件以及互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)連接。通過(guò)附圖中示意性示出的優(yōu)選實(shí)施方式的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)將是明顯的。附圖簡(jiǎn)述圖I示出了用于控制商業(yè)建筑中的加熱與冷卻操作的具有計(jì)算機(jī)的能量底盤系統(tǒng)的示意圖。圖2示出了按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的用于商業(yè)建筑的具有計(jì)算機(jī)(即管理感測(cè)、獨(dú)立路由、能源的選擇和使用的系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、軟件、循環(huán)泵和變速傳動(dòng)裝置、互連管道、電子連接件、逆變器、開關(guān)、保險(xiǎn)絲、配線、傳感器和控制裝置等等，用于管理和操作該系統(tǒng))的能量交換單元的示意圖。圖3是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的能量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)接口和數(shù)據(jù)庫(kù)的示意性框圖。
圖4是顯示與源/熱沉和系統(tǒng)負(fù)載接口連接的能量交換單元的智能獨(dú)立流體選擇的框圖。圖5是按照本發(fā)明的混合式能量采集和熱儲(chǔ)存管理的框圖。圖6是示出了多個(gè)不同的獨(dú)立熱循環(huán)的示意圖。圖7是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的顯示系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)的框圖。圖8示出了分區(qū)的各種用戶輸入和設(shè)定點(diǎn)。圖9示出了用于不同類型的源和熱沉的多種收集數(shù)據(jù)。

圖10示出了不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和設(shè)備規(guī)格的一個(gè)實(shí)施例。 圖11示出了能量管理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)類型和不同的最優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。圖12示出了建筑和系統(tǒng)控制裝置以及設(shè)計(jì)方法、工程和軟件數(shù)據(jù)的實(shí)施例。圖13是顯示系統(tǒng)負(fù)載信號(hào)的實(shí)施例的示意性框圖。圖14是顯示最優(yōu)化控制方法的一個(gè)實(shí)施例的示意性框圖。圖15是顯示過(guò)程最優(yōu)化的過(guò)程流程圖。圖16是顯示源和熱沉的最優(yōu)化的過(guò)程流程圖。圖17示出了按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的用于設(shè)計(jì)能量底盤裝置和能量交換裝置的數(shù)據(jù)的實(shí)施例。圖18是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的示出了設(shè)計(jì)最優(yōu)化的一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程流程圖。優(yōu)選實(shí)施方式的描述在詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的公開的實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)理解，由于本發(fā)明能夠具有其它的實(shí)施方式，因此本發(fā)明并不局限于其對(duì)示出的特定布置的細(xì)節(jié)的應(yīng)用。另外，本文使用的術(shù)語(yǔ)用于描述而不是限制的目的。以下是在描述和附圖中使用的用于識(shí)別部件的參考數(shù)字的清單I熱流體回路21地?zé)峤粨Q器供給2熱流體源22垂直閉合循環(huán)地?zé)釤崃拷粨Q3能量底盤27交換計(jì)算機(jī)4冷流體回路23水平的“緊身的”閉合循環(huán)5冷流體源30地?zé)釤崃拷粨Q器6溫度指示計(jì)和傳感器29熱量交換器7流量計(jì)31能量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)8三向控制閥32實(shí)時(shí)負(fù)載/需求9隔離閥33負(fù)載的歷史跟蹤10可變?nèi)萘垦h(huán)泵34到負(fù)載預(yù)測(cè)的用戶輸入11基于流體到流體制冷的熱泵 35互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)接口12來(lái)自能量交換裝置的“暖” 36建筑和系統(tǒng)傳感器側(cè)的供給37建筑和系統(tǒng)控制裝置13到能量交換裝置的“暖”側(cè) 38歷史、實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)的回路連接據(jù)庫(kù)14基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)39數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)更新
15來(lái)自能量交換裝置的“冷” 41能量交換單元側(cè)的供給42控制器16到至能量交換裝置的“冷” 43流體控制閥側(cè)的回路連接44流體混合器17可變?nèi)萘垦h(huán)泵46熱儲(chǔ)存器單元20地?zé)峤粨Q器回路以下是貫穿詳細(xì)的描述和所附權(quán)利要求使用的術(shù)語(yǔ)的定義的清單?！だ?coolth)冷”的名詞形式；反義詞是暖能量需求改變建筑溫度、濕度、空氣質(zhì)量和電力的設(shè)定點(diǎn)的用戶驅(qū)動(dòng)要求能量庫(kù)亦稱熱沉能夠從一個(gè)與之處于熱接觸的目標(biāo)吸收能量的環(huán)境。熱沉可以被用于儲(chǔ)存或者消散熱量。在某種情況下，熱沉可以成為一個(gè)用于儲(chǔ)存熱能量或者冷能量然后可以根據(jù)需要將其提取出來(lái)用于使用的貯存器。收支平衡日期通過(guò)節(jié)能、稅收鼓勵(lì)等等，直到裝置付清的年數(shù)。冷能量有時(shí)被用作方便描述冷卻為能量的一種形式(如熱量)的語(yǔ)言(這是普通用法，但是由于冷是缺少熱能，因此技術(shù)上不正確)。能量底盤裝置包括計(jì)算機(jī)、軟件、基于制冷劑的熱量傳遞裝置例如熱泵、循環(huán)泵和變速傳動(dòng)裝置、互連管道、傳感器和控制裝置、以及管理和控制電子系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)所需的電子連接件、逆變器、開關(guān)、保險(xiǎn)絲和配線等等的完整的中央加熱、冷卻及能量管理系統(tǒng)。能量交換裝置管理感測(cè)、獨(dú)立路由、能源的選擇和使用的系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、軟件、循環(huán)泵和變速傳動(dòng)裝置、互連管道、電子連接件、逆變器、開關(guān)、保險(xiǎn)絲、配線、傳感器和控制裝置等等，用于管理和操作該系統(tǒng)。能量源一種可以提取出能量的裝置或者材料。該能量可以是任何類型的能量，包括冷能量、熱能量或者電能。設(shè)備規(guī)格響應(yīng)時(shí)間、BTU或者TON容量、微分精度、效率、可控性、流速、能量流速、電力使用、殘留物產(chǎn)生、冷卻機(jī)制和有效性等等?；旌显?熱沉在同一系統(tǒng)中的多種類型的源/熱沉的組合，例如，緊身的循環(huán)水平地?zé)峥讏?chǎng)所在的同一系統(tǒng)中的垂直孔地?zé)釄?chǎng)，或者與太陽(yáng)能熱板結(jié)合的冷卻塔，其與閉合循環(huán)垂直孔場(chǎng)結(jié)合，等等。HVAC :加熱、通風(fēng)以及空氣調(diào)節(jié)?；ヂ?lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)，其可以是有線或者無(wú)線的。獨(dú)立連接來(lái)自系統(tǒng)中的每一個(gè)源的流體或者去往系統(tǒng)中的每一個(gè)熱沉的流體可以被單獨(dú)地或者混合地使用，但是不需要如現(xiàn)有技術(shù)一樣混合。負(fù)載待完成的操作(即加熱、冷卻、照明、插入裝置的操作)。建筑負(fù)載指的是建筑所需的用來(lái)維持溫度、濕度、空氣質(zhì)量的能量或者滿足電子裝置(即“插塞載荷”)要求所需的能量的量。模塊化可以通過(guò)添加或者替換單元、與其它的單元結(jié)合來(lái)放大或者縮小尺寸，并且可以被運(yùn)輸。運(yùn)行成本能量成本、維護(hù)成本、部件更換成本、服務(wù)成本等等。
最優(yōu)化的基于一個(gè)或多個(gè)最優(yōu)化特征的最優(yōu)化。最優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)包括最初成本、運(yùn)行成本、生命周期成本、收支平衡日期、能量使用、環(huán)境影響、熱舒適性、室內(nèi)空氣質(zhì)量等等。最優(yōu)化系統(tǒng)性能當(dāng)用戶加權(quán)參數(shù)被確定，并且隨后能量系統(tǒng)按照這些參數(shù)成功地操作且具有最小標(biāo)準(zhǔn)誤差限。最優(yōu)化選擇匹配用戶加權(quán)參數(shù)，具有最小標(biāo)準(zhǔn)誤差限。性能特征不同的能量類型中的每一個(gè)的能量容量、能量衰減與增益、能量耗散率、效率、環(huán)境影響等等。預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)外制造成的一種預(yù)先集成的、可運(yùn)輸?shù)?、可安裝的單元。系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)備識(shí)別和規(guī)格、管道輸送規(guī)格、福射規(guī)格、導(dǎo)管規(guī)格等等。熱儲(chǔ)存器一種用于儲(chǔ)存熱量或者冷能量例如，地?zé)?、相變、建筑?gòu)造等等的材料、裝置及物質(zhì)。用戶輸入包括針對(duì)一個(gè)或多個(gè)加熱和冷卻區(qū)的期望溫度、期望濕度、預(yù)測(cè)或者根據(jù)計(jì)劃的占用率、設(shè)備操作時(shí)間表、通風(fēng)等等。本發(fā)明涉及用于感測(cè)和收集自然可再生能源的局部源的系統(tǒng)、方法及裝置，以通過(guò)使用完全集成的工廠組裝好的裝置來(lái)儲(chǔ)存能源和重分配能源，以有效地滿足建筑需要。該裝置使用采集或者轉(zhuǎn)換能量、儲(chǔ)存能量以及將該能量移動(dòng)到需要能量的位置的設(shè)備。裝置還可以包括可選的設(shè)備，該可選的設(shè)備包括下一代地?zé)釤崃拷粨Q器，該下一代地?zé)釤崃拷粨Q器實(shí)現(xiàn)較高的能量采集效率并且提供比當(dāng)前的地?zé)峤粨Q器更強(qiáng)大的功能。雖然本發(fā)明被描述用于加熱和冷卻內(nèi)部空間，但是能量底盤裝置可以被用于提供電力。例如，能量底盤裝置可以與多個(gè)電力源連接，例如輸電網(wǎng)絡(luò)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等。在本實(shí)施例中，軟件將跟蹤和預(yù)測(cè)電力使用以及提供來(lái)自每一個(gè)源的電力的成本，然后確定使用哪個(gè)電力源來(lái)最佳地滿足各種電力負(fù)載。圖I是具有用于控制商業(yè)建筑中的加熱與冷卻操作的計(jì)算機(jī)控制器的能量底盤系統(tǒng)的一種優(yōu)選實(shí)施方式的示意圖。如所示，能量底盤裝置附件3包括從加熱負(fù)載連接的熱流體回路I、連接到加熱負(fù)載的熱流體供給2、來(lái)自該負(fù)載的冷流體回路4以及去往冷卻負(fù)載的冷流體供給5，具有用于監(jiān)控?zé)岷屠漭斎肱c輸出的溫度并且產(chǎn)生相應(yīng)的溫度信號(hào)的溫度傳感器和指示計(jì)6，該相應(yīng)的溫度信號(hào)被饋送至計(jì)算機(jī)控制器14。能量底盤裝置附件還包括來(lái)自能量交換裝置的“暖”側(cè)的供給連接12和去往能量交換裝置的“暖”側(cè)的回路連接13。類似地，冷側(cè)包括來(lái)自能量交換裝置的“冷”側(cè)的供給連接15和去往能量交換裝置的“暖”側(cè)的回路連接16。熱流體供給線路2和冷流體供給線路5中的每一個(gè)還包括用于監(jiān)控流出能量底盤裝置的流體的流量的流量計(jì)7，以及用于將熱流體或者冷流體直接提供給負(fù)載而沒(méi)有制冷系統(tǒng)操作并且允許計(jì)算機(jī)控制器14監(jiān)控和控制進(jìn)入和離開能量底盤裝置附件3的流體的可變?nèi)萘垦h(huán)泵17。每一個(gè)熱流體回路I和冷流體回路4均包括隔離閥8、11。提供一種三向控制閥8用于選擇性地控制流體進(jìn)入和離開每一個(gè)獨(dú)立的基于流體到流體制冷的熱泵11。該系統(tǒng)可以被配置成根據(jù)正被加熱和冷卻的建筑而具有不同數(shù)量和尺寸的熱泵11。在熱泵11的熱側(cè)和冷側(cè)中的每側(cè)上，三向控制閥8和熱泵11之間的流體線包括溫度傳感器6、隔離閥9以及在隔離閥9之間的輸入線上的可變?nèi)萘垦h(huán)泵10。
圖2示出了具有用于商業(yè)建筑的計(jì)算機(jī)控制器27的能量交換單元系統(tǒng)的示意圖。能量交換單元是能量底盤裝置的系統(tǒng)部件。圖2中示出的實(shí)施方式示出了連接至地?zé)嵫h(huán)的能量交換。這是一種可能的配置并且不應(yīng)該被用于限制所要求的本發(fā)明的范圍。圖2中示出的地?zé)崮芰拷粨Q單元的熱和冷輸入線路2、5以及輸出線路1、4類似于圖I中示出的配置，包括溫度傳感器6及去往和離開熱量交換器29并且在熱量交換器29和垂直閉合循環(huán)地?zé)釤崃拷粨Q器32和水平“緊身的”的閉合循環(huán)地?zé)釤崃拷粨Q器33之間的可變循環(huán)泵8。能量交換裝置是能量底盤裝置的獨(dú)立部件，其提供能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換和混合功能，以允許能量的多個(gè)源被同時(shí)使用。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，能量底盤裝置包括能量交換裝置以及對(duì)熱泵加熱與冷卻系統(tǒng)常見(jiàn)的熱泵、泵、閥、管道等等。為了提高系統(tǒng)的協(xié)同作用，能量交換裝置確定并使用滿足負(fù)載需求所需的源的成本效益最好的、實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)性的組合。然后能量交換裝置混合和傳遞來(lái)自選定源的能量供以使用，可能經(jīng)由多個(gè)裝置。該能量交換裝置可以被用于獲取所需的能量，或者管理多余能量的儲(chǔ)存?，F(xiàn)今共同發(fā)明人對(duì)ASHRAE90. 1_2007標(biāo)準(zhǔn)完成的對(duì)建筑的研究，示出了隨著使用依據(jù)本發(fā)明的能量底盤裝置，作為整體建筑的中心部件，可以減少大約35%到大約50%的建筑能量消耗，并且在建設(shè)成本上只增加很少或者沒(méi)有增加。為了實(shí)現(xiàn)這一節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，需要能量底盤是一種標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法，這樣試圖在每一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)創(chuàng)建獨(dú)特的、獨(dú)一無(wú)二的現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)系統(tǒng)。存在一個(gè)關(guān)于這種策略的前例。一種創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的類似方法呈現(xiàn)了關(guān)于空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的技術(shù)方案并且降低了設(shè)計(jì)和安裝空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的復(fù)雜度，空氣調(diào)節(jié)設(shè)備歸功于成立空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的最大制造商Carrier公司的Willis Carrier先生。他制造可批量銷售的標(biāo)準(zhǔn)化空調(diào)的努力通常被認(rèn)為是制造可靠且負(fù)擔(dān)得起的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)部分上是由于他排除了對(duì)定制設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)組裝增加的可靠性的需要。利用這一策略，他成功地建立了 Carrier公司。本發(fā)明的能量底盤裝置被設(shè)計(jì)成在一過(guò)程中制造，該過(guò)程包括與完全在建造場(chǎng)所集成的解決方案相比減少制造成本并且提高質(zhì)量的技術(shù)。能量底盤裝置由若干個(gè)主要部件組成，主要部件可以包括基于制冷劑的流體到流體熱泵或者冷卻裝置，其連接至能量運(yùn)輸系統(tǒng)，該能量運(yùn)輸系統(tǒng)由嵌入在混凝土中的PEX管或者類似的水運(yùn)輸裝置和/或中空型混凝土組成，其可以使用加壓氣流來(lái)運(yùn)輸能量，被設(shè)計(jì)成與輻射加熱與冷卻及熱儲(chǔ)存相配合?？梢允褂靡恍┈F(xiàn)有的和一些并不完美或者還未想象到的多個(gè)不同的能量采集裝置，其具有軟件模型，該軟件模型在一些情況下預(yù)測(cè)多個(gè)不同裝置的性能并且提供優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的能量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)接口和數(shù)據(jù)庫(kù)的示意框圖。如所示，能量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)負(fù)載/需求數(shù)據(jù)32、歷史負(fù)載跟蹤數(shù)據(jù)33、用于用戶為每一個(gè)區(qū)輸入負(fù)載預(yù)測(cè)的用戶輸入端34 (圖8)、用于存儲(chǔ)歷史、實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、到系統(tǒng)、安裝者、用戶和/或所有者的故障或者警報(bào)通知輸出的數(shù)據(jù)庫(kù)38、以及用于存儲(chǔ)與系統(tǒng)更新、修補(bǔ)程序、擴(kuò)展包相關(guān)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器39通過(guò)接口連接。能量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)還包括與建筑傳感器36和控制裝置37的接口以及用于接收實(shí)時(shí)信息例如天氣預(yù)報(bào)的互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)接口，以及與電率結(jié)構(gòu)35的接口。能量底盤裝置計(jì)算機(jī)控制器包括具有參數(shù)優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，參數(shù)優(yōu)化模型可以被執(zhí)行為確定將優(yōu)化用戶確定的參數(shù)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部件、部件特征以及尺寸。該步驟減少了為不同的建筑和環(huán)境條件恰當(dāng)?shù)嘏渲孟到y(tǒng)所需的定制工程。能量底盤裝置還包括板框式熱量交換器或者用于直接熱量傳遞而沒(méi)有使用制冷系統(tǒng)的類似設(shè)備，以及如圖I中示出的具有變頻驅(qū)動(dòng)的循環(huán)泵、控制閥和傳感器。圖4是智能獨(dú)立流體選擇系統(tǒng)的框圖，示出了具有基于計(jì)算機(jī)的控制器42的能量交換單元41，其與源和熱沉A、B和C連接，并且流體混合器44和流量控制閥43與一個(gè)或多個(gè)負(fù)載X、Y和Z連接，在示出的實(shí)施例中為三個(gè)負(fù)載。圖5是示出了從不同的源(例如但不局限于太陽(yáng)A、地?zé)酈、室外環(huán)境C、身體熱量D和其它源E)采集的混合能量送至圖4中示出的能量交換單元41、以及去往和來(lái)自熱儲(chǔ)存器單元46的框圖。參考圖I和圖2，每個(gè)熱泵11被用管道輸送以通過(guò)不同的控制閥序列、熱流體供給線路I/回路2、冷流體供給線路4/回路5、暖地?zé)崃黧w供給線路12/回路13以及冷地?zé)崃黧w供給線路15/回路16進(jìn)入下一個(gè)流體流。額外的定制溫度流體是可選的。能量底盤裝置包括計(jì)算機(jī)控制器，用于選擇性地安置控制閥8、9并且控制循環(huán)泵10的速度，以允許每一個(gè)熱泵模塊11單獨(dú)地操作，以將熱量從任何流體移動(dòng)到任何其它的流體。當(dāng)流體溫度處于冷卻建筑空間所需的范圍時(shí)，裝置可以使用板框式熱量交換器，僅通過(guò)操作循環(huán)泵10且不操作制冷系統(tǒng)來(lái)提供來(lái)自冷地?zé)崃黧w15和16的冷卻流體，從而極大地減少能量消耗并且提供能量效率。另外，該系統(tǒng)可以管理不同的熱能儲(chǔ)存裝置，來(lái)將熱量添加到不同的流體路徑或者從不同的流體路徑提取熱量?；谟?jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)基礎(chǔ)上確定當(dāng)前的加熱與冷卻的當(dāng)前的能量需要和預(yù)計(jì)的能量需要。實(shí)時(shí)地，使用互聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)包括電流電力比結(jié)構(gòu)和峰值/非峰值比結(jié)構(gòu)以及自發(fā)的電力負(fù)載脫落或者重新安排。對(duì)預(yù)計(jì)的能量需要的預(yù)測(cè)部分地取決于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接提供的天氣預(yù)報(bào)和累計(jì)的建筑/天氣性能響應(yīng)歷史中的一個(gè)或者多個(gè)。能量底盤系統(tǒng)包括人工智能軟件，該人工智能軟件根據(jù)能量以及環(huán)境影響的現(xiàn)在成本和預(yù)測(cè)成本中的一個(gè)或多個(gè)，使用天氣數(shù)據(jù)和建筑性能響應(yīng)歷史來(lái)優(yōu)化能量的使用。然后，基于這些負(fù)載和不同的流體流的溫度，控制系統(tǒng)確定從哪個(gè)單獨(dú)的流體流或者流體流的組合來(lái)提取熱量或者將熱量存放在哪個(gè)單獨(dú)的流體流或者流體流的組合，以優(yōu)化能量成本。由于考慮到當(dāng)前和預(yù)計(jì)的能量需要和流體溫度，控制器還與下一代地?zé)釤崃拷粨Q器(下面描述的)保持通信，以優(yōu)化其操作。控制系統(tǒng)還記錄所有的操作參數(shù)以允許系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化以及為故障排除提供與設(shè)備故障相關(guān)的信息，并且記錄操作參數(shù)以允許系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化以及為故障排除提供與設(shè)備故障相關(guān)的信息。圖9示出了用于不同類型的源和熱沉例如建筑物、地?zé)?、相變等等的多種收集數(shù)據(jù)。圖6是示出了連接至中央設(shè)施的多個(gè)不同的獨(dú)立的地?zé)嵫h(huán)的示意圖。該熱量交換器采用將系統(tǒng)的智能和控制安裝成一種標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，該標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品可以被連接至任何形式的閉合循環(huán)地?zé)釤岜孟到y(tǒng)。該熱量交換器使用新興的計(jì)算機(jī)、傳感器和控制技術(shù)、先進(jìn)的加熱與冷卻概念以及將智能和控制平臺(tái)封裝到標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中的功能，以提高地?zé)嵯到y(tǒng)的性能同時(shí)維持或者減少系統(tǒng)的成本。建筑顯冷卻通常相當(dāng)于總冷卻負(fù)載的大約60%到大約80%，其可以被潛在地實(shí)現(xiàn)而沒(méi)有消耗能量的壓縮機(jī)的幫助。熱量交換器可以被用作總建筑能量系統(tǒng)的一個(gè)部件，或者作為獨(dú)立部件使用。
一種典型的地?zé)?、熱泵、熱量交換器系統(tǒng)涉及多種僅使用以下項(xiàng)中的一個(gè)的整體流體回路配置垂直閉合循環(huán)、水平閉合循環(huán)、“緊身”循環(huán)、池塘循環(huán)等等，但是一般在應(yīng)用于系統(tǒng)時(shí)，這些配置將具有以下特征第一，應(yīng)用單個(gè)的流體回路配置。例如，垂直循環(huán)通常不與水平循環(huán)結(jié)合。第二，在單個(gè)的流體回路中的流體一般以恒溫被混合和傳遞到全部加熱/冷卻裝置。通過(guò)流體和終端熱量傳遞裝置之間的溫度差的減少，溫度的混合削弱了其傳遞熱量的能力。溫度差越大，熱量傳遞就越大，并且相反地，溫度差越小，熱量傳遞就越小。本發(fā)明的方法、系統(tǒng)及裝置通過(guò)包含多個(gè)獨(dú)立循環(huán)的地?zé)釤崃拷粨Q器、多個(gè)獨(dú)立的變速循環(huán)泵、控制閥來(lái)將流體流量引導(dǎo)至“暖”或者“冷”地?zé)崃黧w集管(可選為流量能夠保持獨(dú)立)、以及用于基于溫度差和質(zhì)量流速或者從每一個(gè)循環(huán)和暖與冷地?zé)崃黧w集管中的簡(jiǎn)單的熱量計(jì)來(lái)測(cè)量流體溫度和熱流量的傳感器，解決所述典型地?zé)嵯到y(tǒng)的降效特征?；谟?jì)算機(jī)的控制裝置包括被設(shè)計(jì)成優(yōu)化和管理流量和溫度的軟件。圖7是示出了按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的高效系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)負(fù)載、預(yù)測(cè)負(fù)載數(shù)據(jù)以及當(dāng)前的和歷史的系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。如圖7所示，該系統(tǒng)確定實(shí)時(shí)負(fù)載和預(yù)測(cè)負(fù)載，并且使用負(fù)載數(shù)據(jù)與系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)和歷史系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)確定有效系統(tǒng)負(fù)載。該系統(tǒng)使用例如設(shè)備負(fù)載、占用率、濕度等外部環(huán)境條件以及用戶輸入等等的信息，來(lái)確定實(shí)時(shí)負(fù)載。用于確定預(yù)測(cè)負(fù)載的信息包括信息例如歷史天氣數(shù)據(jù)、歷史內(nèi)部負(fù)載、占用率預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、建筑熱質(zhì)量、表面溫度和核心溫度等等以及用戶輸入和設(shè)定。用戶輸入的實(shí)施例在圖8中被示出為期望溫度、濕度、空間的預(yù)測(cè)占用率和/或計(jì)劃好的占用率、設(shè)備清單、通風(fēng)等等。用戶輸入可以被分區(qū)，例如大廳可以被期待成具有全部占用率同時(shí)辦公室空間不被占用。在本實(shí)施例中，具有不同的預(yù)測(cè)占用率的兩個(gè)區(qū)將具有不同的能量要求。在圖2中示出的配置中，獨(dú)立的地?zé)釤崃拷粨Q器被布置在具有分開的供給管道和返回管道的兩端式分配集管上，該兩端式分配集管將“較暖的”地?zé)崃黧w引導(dǎo)至一端并且將“較冷的”地?zé)崃黧w引導(dǎo)至相對(duì)端。這種配置允許獨(dú)特的操作特征，包括不將熱地?zé)崃黧w混合至冷地?zé)崃黧w，以便不降低溫度并且由于較大的溫度差而保持傳遞熱量的能力。第二，顯冷卻裝置，例如主動(dòng)與被動(dòng)冷梁和輻射冷卻板，對(duì)于大部分，即使不是全部的冷卻時(shí)期，可以通過(guò)僅操作循環(huán)泵并且不接合基于制冷劑的熱泵來(lái)提供更冷的水(通常55到60T)。利用圖2中示出的配置，這是可能的，由于新穎的循環(huán)和控制防止了“較冷的”獨(dú)立的地?zé)釤崃拷粨Q器被從基于制冷劑的熱量抑制裝置排出的熱的相對(duì)較高的溫度熱污染。從基于制冷劑的熱量抑制裝置排出的熱量被循環(huán)到“較暖的”獨(dú)立的地?zé)釤崃拷粨Q器，在那里它們的熱量被消散掉。在加熱模式中，由于流體和周圍地面之間的較高的溫度差，使得“較暖的”地?zé)釤崃拷粨Q器在熱量恢復(fù)上變得更加有效。儲(chǔ)存在較暖的熱量交換器中的熱量可用作可以加熱家庭熱水等的熱量提取系統(tǒng)的第一源。如果建筑加熱負(fù)載(來(lái)自地球的熱量的提取以及將其移動(dòng)用來(lái)加熱建筑或者建筑的系統(tǒng))大于僅可用于“較暖的”地?zé)釤崃拷粨Q器的熱量，或者如果更高效地來(lái)做這些，那么“較冷的”地?zé)釤崃拷粨Q器被轉(zhuǎn)換成熱量源而不是熱沉，并且從而其將被“再補(bǔ)給”成較低溫度以提供顯冷卻。如果每年的加熱/冷卻需求是加熱為主，并且額外的熱量源是可用的，例如太陽(yáng)能熱收集，那么“較暖的”地?zé)釤崃拷粨Q器中的一個(gè)或多個(gè)可以被指定為“最熱”，并且其將接收任何不被立即使用的太陽(yáng)生成的熱量。該熱量提高了地?zé)釤崃拷粨Q器周圍的土壤的溫度，并且一部分熱量將保留可用于未來(lái)使用。這樣允許系統(tǒng)利用自然的季節(jié)溫度變動(dòng)來(lái)獲取和儲(chǔ)存熱量，或者需要時(shí)，其可用于當(dāng)年晚些時(shí)候使用時(shí)進(jìn)行冷卻。長(zhǎng)期的熱儲(chǔ)存提高了采集的能量的可用性，供未來(lái)使用，導(dǎo)致了增加的效率以及提供一種管理可用于交換器的總能量的機(jī)構(gòu)，從而降低交換器中的能量將變少和缺乏能量的可能性。圖6中示出的配置允許各種地?zé)釤崃拷粨Q器配置(垂直的、水平的、池塘循環(huán)、熱樁，等等)的最佳混合，以按照一種控制和最優(yōu)化這些熱量交換器類型中的每一個(gè)的不同的熱特征的方式被同時(shí)使用。這將增加使用地?zé)岵⑶一诳捎玫耐恋馗映杀拘б娴亟ㄔ斓責(zé)岬臋C(jī)會(huì)。這還允許地?zé)釤崃拷粨Q器被特別地設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)期或者短期儲(chǔ)存、熱或者冷儲(chǔ)存、或者直接使用，亦稱無(wú)儲(chǔ)存，例如開放循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明還涵蓋一種對(duì)所述被覆蓋的流體集管的替代物，其單獨(dú)地連接每一個(gè)地?zé)釤崃拷粨Q器、熱量交換器、源/熱沉并且單獨(dú)地控制它們。這將允許全局優(yōu)化并且相比流體集管可以提高效率。這是由于使用如以上描述的相同的獨(dú)立、直接的溫度?；谟?jì)算機(jī)的控制裝置與能量底盤裝置(圖I至圖2)以及以上描述的它的嵌入式能量交換單元(圖4)協(xié)作，將監(jiān)控和測(cè)量流入和流出地面的熱量以及確定每一個(gè)獨(dú)立的地?zé)釤崃拷粨Q器、可替換的源/熱沉的熱響應(yīng)特征，以在測(cè)量到實(shí)際性能數(shù)據(jù)時(shí)，允許系統(tǒng)操作序列被實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)性地優(yōu)化。每一個(gè)獨(dú)立的能量源和/或熱沉都具有儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中作為收集數(shù)據(jù)的獨(dú)立性能特性。圖9中示出的一個(gè)實(shí)施例具有當(dāng)前的和歷史的性能特征，包括能量容量、能量衰減和增益、耗散率、效率等等。圖10示出了在為建筑物選擇設(shè)備和設(shè)計(jì)加熱/冷卻系統(tǒng)時(shí)使用的不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和設(shè)備規(guī)格的一個(gè)實(shí)施例。系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括跟蹤所使用的設(shè)備和設(shè)備的規(guī)格、管道規(guī)格、輻射規(guī)格和導(dǎo)管規(guī)格以及與該系統(tǒng)連接的任何其它設(shè)備的規(guī)格。每件設(shè)備還具有規(guī)格和操作參數(shù)，其實(shí)施例被示出在圖10中。圖11示出了能量管理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)類型和不同的最優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，牢記最初成本、中間成本和生命周期成本是很重要的。其它的重要參數(shù)包括影響總成本的能量使用、對(duì)環(huán)境以及熱舒適性的值和室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響使用。當(dāng)然，還應(yīng)該考慮所有者和用戶要求及請(qǐng)求。能量管理計(jì)算機(jī)維持可用于系統(tǒng)的源和熱沉的收集數(shù)據(jù)，追蹤系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)，以及確定最優(yōu)化的控制方法并且控制輸出。在系統(tǒng)操作期間維持初始系統(tǒng)性能、歷史系統(tǒng)性能和歷史設(shè)備性能以供使用。圖12示出了用于具有可變輸出的部件(包括泵、閥、和熱泵)的建筑與系統(tǒng)控制裝置，并且提供設(shè)計(jì)方法、工程和軟件數(shù)據(jù)的實(shí)施例。圖13是示出了系統(tǒng)負(fù)載信號(hào)的實(shí)施例的示意框圖。例如，系統(tǒng)接收設(shè)備故障信號(hào)并且響應(yīng)以設(shè)備故障通知，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)被傳送給用戶、所有者、硬件和/或軟件工程師，以及視情況而定傳送給安裝專家。圖14是示出了用于基于來(lái)自目標(biāo)參數(shù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、與系統(tǒng)源和熱沉相關(guān)的收集數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)的輸入來(lái)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化方法的一個(gè)實(shí)施例的示意框圖?；谒占臄?shù)據(jù)，控制裝置被優(yōu)化成測(cè)量流體溫度和對(duì)于最優(yōu)化性能的流體的混合。圖15和圖16中示出的流程圖示出了最優(yōu)化系統(tǒng)性能以滿足建筑的居住者的需要的步驟。如所示，數(shù)據(jù)被收集和儲(chǔ)存并且用于做出加熱和冷卻內(nèi)部空間的決定以及確定是否滿足負(fù)載要求。參考圖16，步驟包括確定使用哪個(gè)源和/或熱沉，以及混合哪個(gè)源和熱沉以最佳滿足優(yōu)化參數(shù)。
圖17示出了按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的用于設(shè)計(jì)能量底盤裝置和能量交換裝置的數(shù)據(jù)的實(shí)施例，包括獨(dú)立設(shè)備數(shù)據(jù)、建筑材料信息、建筑建設(shè)數(shù)據(jù)，以及示出了保持在系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)的類型的實(shí)施例。示出的實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明并非限制本發(fā)明。圖18是按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式示出了設(shè)計(jì)最優(yōu)化的一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程流程圖。能量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成本效益分析系統(tǒng)性能和描述概要以下是已被隨后設(shè)計(jì)并且現(xiàn)在正在為Findlay大學(xué)建造的實(shí)驗(yàn)樓的一個(gè)模擬。本發(fā)明者準(zhǔn)備一種包括建筑外殼、HVAC、通風(fēng)櫥控制裝置和照明配置的系統(tǒng)模擬，以提供一種相比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和建設(shè)更加節(jié)能的較低的生命周期成本設(shè)施。該系統(tǒng)的模擬使用在本專利申請(qǐng)中描述的技術(shù)。這些努力的結(jié)果是一個(gè)集成的建筑能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相比于常規(guī)建筑和HVAC實(shí)踐，其給Findlay大學(xué)提供了實(shí)質(zhì)利益，包括· 100%外部空氣(沒(méi)有再循環(huán))以提高居住健康和安全·多達(dá)68%的能量成本減少和35%的維護(hù)成本減少·多達(dá)76%的峰值電力需求減少 多達(dá)68%的建筑能量占地面積減少 多達(dá)68%的CO2排放減少·每年大約房屋面積的每平方英尺$1. 20的能量和維護(hù)節(jié)省·在$200，000的最初額外投資上僅4. 3年的投資回收率周期該系統(tǒng)基于嵌入在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)并且與主動(dòng)冷梁耦合的輻射加熱/冷卻技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)被提供有來(lái)自具有地?zé)峤粨Q器的中央地?zé)釤岜媚芰吭O(shè)施的加熱與冷卻流體。該設(shè)計(jì)使用具有地球熱量交換器的季節(jié)能量?jī)?chǔ)存的地?zé)峋薮蠼ㄖ亩唐谀芰績(jī)?chǔ)存器。當(dāng)與常規(guī)HVAC系統(tǒng)相比時(shí)，基于根據(jù)本發(fā)明者的系統(tǒng)的$1，400, 000最初成本相比常規(guī)HVAC系統(tǒng)的$1，200, 000最初成本，本發(fā)明的系統(tǒng)具有大約$200，000的最初成本溢價(jià)。這些估計(jì)不包括任何潛在的財(cái)務(wù)誘因-通過(guò)對(duì)不包含在成本比較中的可選能源系統(tǒng)的當(dāng)前政府誘因，有機(jī)會(huì)減少最初成本差異。 與標(biāo)準(zhǔn)HVAC系統(tǒng)相比本發(fā)明者準(zhǔn)備了一種用于本申請(qǐng)的典型的標(biāo)準(zhǔn)HVAC系統(tǒng)的成本估算和能量模擬，但是該標(biāo)準(zhǔn)HVAC系統(tǒng)被定尺寸為處理實(shí)驗(yàn)通風(fēng)櫥的顯著額外要求。該HVAC配置包括變風(fēng)量空氣處理單元(在尺寸上頂層房間被增加800SF，以適應(yīng)這個(gè)較大的單元)?？諝馓幚硐到y(tǒng)被供給來(lái)自新鍋爐的熱水和來(lái)自新空氣冷卻裝置的冷水。經(jīng)調(diào)節(jié)溫濕度的空氣通過(guò)管道系統(tǒng)被饋送至變風(fēng)量再熱箱，變風(fēng)量再熱箱還被連接至熱水系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)指出，這種常規(guī)的系統(tǒng)從房間到房間再循環(huán)空氣，然而本發(fā)明系統(tǒng)不這樣做。基于計(jì)算機(jī)的建筑自動(dòng)化系統(tǒng)被包含在估算中。根據(jù)每年$57，500的標(biāo)準(zhǔn)HVAC能量成本估算相比本發(fā)明每年$18，500的能量成本，對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)估算的能量節(jié)省每年大約是$39，000,以及根據(jù)每年$21，500的標(biāo)準(zhǔn)HVAC維護(hù)成本估算相比本發(fā)明每年$14，000的維護(hù)成本，估算的維護(hù)節(jié)省每年是$7，500。這樣產(chǎn)生了僅大約4. 3年的投資回收率周期。建筑的描述
該工程包括大約40，000平方英尺,兩層添加到在俄亥俄州Findlay市的Findlay大學(xué)校園上的戴維斯街道設(shè)施。所計(jì)劃的建筑使用包括具有通風(fēng)櫥、教室、系辦公室和各種支撐空間的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室。設(shè)計(jì)過(guò)程本發(fā)明者著眼于建筑內(nèi)的包括墻體構(gòu)造、窗戶、屋頂保溫、照明等等的不同部件完成多個(gè)能量模擬；測(cè)試本發(fā)明的不同配置以及確定哪些區(qū)域提供對(duì)總能量使用的最積極的影響。大學(xué)工作人員提供了建筑操作日程安排和計(jì)劃的通風(fēng)櫥用法。利用率結(jié)構(gòu)被假定為平均$0. 075/kffH和每百萬(wàn)BTU天然氣$10. 00?；A(chǔ)建筑配置還被準(zhǔn)備成給我們一個(gè)與本發(fā)明設(shè)計(jì)對(duì)比的基準(zhǔn)。在這種情況下，本發(fā)明遵循綠色建筑認(rèn)證服務(wù)(LEED Certification)的美國(guó)綠色建筑理事會(huì)方針以及使用ASHRAE90. 1-2007能量守恒標(biāo)準(zhǔn)作為其方法論的基準(zhǔn)?；A(chǔ)方案建筑模型被假定成完全符合該標(biāo)準(zhǔn)。模擬結(jié)果十分重要，參見(jiàn)表1，對(duì)于本發(fā)明，其示出了所提議的使用ASHRAE和LEED標(biāo)準(zhǔn)的建筑與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)果相比較?！け鞩
從 ASHRAE 等于減 90.1 -2007建筑到本少下到￥分 復(fù)明的改變可能比 節(jié)省大約以下量
最高冷卻負(fù)栽(噸)__28__28%
最高加熱負(fù)載(MBH)__179__15%
最高電需求(kW)28776%
每年電使用量(KWH)__519,833__68%
建筑能量占地面積(KBTU/SF/年)__46__68%
CO2排放(公噸/年)__419__68%
維持成本($/年)7,52535%
能量成本($/年)38,98868%
維持+能量($/年)__46,513__59%
每年維持與能量成本/SF上的凈節(jié)省額1.21_ 59%
表I中的結(jié)果基于具有所提議的地?zé)嵯到y(tǒng)和控制選項(xiàng)的整個(gè)系統(tǒng)。這些計(jì)算基于本發(fā)明做出的決定-由于那些決定也改變待更新的能量模式需要。能量系統(tǒng)配置建筑能量系統(tǒng)包括本發(fā)明；能量底盤裝置包括如圖5中示出的能量交換單元。該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)基礎(chǔ)上監(jiān)控每一個(gè)系統(tǒng)部件的性能并且依次從最高效率的源給建筑提供熱水或者冷水。能量交換單元監(jiān)控和控制地?zé)峤粨Q器(這是本發(fā)明獨(dú)特的配置-代替單一的、混合流動(dòng)的地球熱量交換器，本發(fā)明使用若干個(gè)并且分開的地?zé)峤粨Q器用于特定的熱應(yīng)用)和其它的熱量源以及熱沉例如冷卻塔和熱水器的組合。利用該配置的獨(dú)特的節(jié)能機(jī)會(huì)是其給輻射地板和主動(dòng)冷梁系統(tǒng)提供冷水的能力，而一年的大部分時(shí)間內(nèi)沒(méi)有啟動(dòng)熱泵。當(dāng)處于該模式時(shí)，系統(tǒng)可以按照大約75到100的能量效率比(EER)傳遞冷卻，而常規(guī)的冷卻裝置是10到15的EER。這允許我們按照常規(guī)HVAC系統(tǒng)的大約七分之一(1/7)的能量消耗比來(lái)提供冷卻的大部分。冷水或者暖水通過(guò)管道被分配到輻射冷卻/加熱(嵌入在混凝土結(jié)構(gòu)中的PEX管)、主動(dòng)冷梁和再熱線圈。這些裝置一起協(xié)作以提供空間溫度控制。位于頂層機(jī)械設(shè)備用房中的專用的外部空氣系統(tǒng)(DOAS)提供通風(fēng)氣流。該單元通常從建筑排氣重新獲得所浪費(fèi)的能量并且使用它來(lái)預(yù)處理外部空氣以用于通風(fēng)。該系統(tǒng)給每一個(gè)房間提供100%外部空氣-沒(méi)有空氣從空間到空間被再循環(huán)。這樣減小了擴(kuò)散大氣污染物和氣味的可能性。以上系統(tǒng)的全部均由圖15中示出的基于計(jì)算機(jī)的直接數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)控制和優(yōu)化。該系統(tǒng)還可以提供能量性能“儀表盤”，該儀表盤可以位于公共區(qū)域以提供建筑性能上的持續(xù)反饋。雖然已經(jīng)按照各種實(shí)施方式或者已在實(shí)踐中假定的修改描述、公開、說(shuō)明以及示出了本發(fā)明，但是本發(fā)明的范圍并非意在由此被限制，也不應(yīng)該被認(rèn)為由此被限制，因而通過(guò)本文的教導(dǎo)可以提出這種其它的修改或者實(shí)施方式，而這種其它的修改或者實(shí)施方式被特別地保護(hù)為落入本文所附權(quán)利要求的寬度和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能量分析方法，其用于測(cè)量和預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的空氣調(diào)節(jié)、加熱、通風(fēng)、電力以及這些負(fù)載的任何組合中的至少一個(gè)，所述方法包括以下步驟 測(cè)量實(shí)時(shí)熱負(fù)載、電力負(fù)載、熱需求以及電需求中的至少一個(gè)； 跟蹤歷史熱負(fù)載、電力負(fù)載、熱需求以及電需求中的至少一個(gè)； 收集對(duì)熱能和電能的當(dāng)前與預(yù)測(cè)負(fù)載的至少一個(gè)用戶請(qǐng)求；以及 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)接口中的一個(gè)來(lái)收集至少一個(gè)天氣預(yù)報(bào)、用戶輸入和系統(tǒng)更新。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括以下步驟 執(zhí)行一組指令以根據(jù)測(cè)量、跟蹤和收集步驟進(jìn)行學(xué)習(xí)和預(yù)報(bào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括以下步驟 根據(jù)所述測(cè)量、跟蹤和收集步驟，向用戶傳遞包括控制功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括以下步驟 當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備故障時(shí)提供設(shè)備故障通知。
5.一種用于同時(shí)地且分別地預(yù)測(cè)熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的至少一個(gè)的性能的方法，所述方法包括以下步驟 評(píng)估多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、多個(gè)獨(dú)立的熱沉以及多個(gè)電力負(fù)載中的每一個(gè)的模型； 分析所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、所述多個(gè)獨(dú)立的熱沉以及所述多個(gè)獨(dú)立的電力負(fù)載的歷史性能數(shù)據(jù)； 確定從所述多個(gè)熱源和電力源中的每一個(gè)提取的、或者排放到所述獨(dú)立的熱沉或者電力負(fù)載中的每一個(gè)的流體溫度、容量、電壓、電流、或者瓦特?cái)?shù)中的至少一個(gè)；以及 根據(jù)所述評(píng)估、分析和預(yù)測(cè)步驟確定目標(biāo)參數(shù)，以限定最佳(被定義為以最小標(biāo)準(zhǔn)誤差限匹配用戶加權(quán)參數(shù)的)系統(tǒng)性能。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括以下步驟 確定來(lái)自多個(gè)熱源或者熱沉的多個(gè)流體以及流體的混合物中的至少一個(gè)的使用，以獲得以最小誤差匹配預(yù)定溫度的流體溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括以下步驟 至少基于進(jìn)入所述熱沉或者離開所述源的流體溫度來(lái)確定從一個(gè)或多個(gè)熱源和熱沉提取的或者添加至一個(gè)或多個(gè)熱源和熱沉的所述流體或者流體的混合物。
8.一種用于同時(shí)地且獨(dú)立地選擇和使用至少一個(gè)熱源或電力源、和熱沉、或者電力負(fù)載的方法，所述方法包括以下步驟 評(píng)估多個(gè)熱源和電力源、多個(gè)熱沉以及多個(gè)電力負(fù)載中的至少一個(gè)的已知模型；分析所述多個(gè)熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的每一個(gè)的溫度、容量、電壓、電流、或者瓦特?cái)?shù)中的至少一個(gè)； 預(yù)測(cè)所述多個(gè)熱源和電力源及多個(gè)熱沉和電力負(fù)載中的每一個(gè)所能夠使用的流體溫度、容量、電壓、電流以及瓦特?cái)?shù)中的至少一個(gè)；以及 選擇來(lái)自所述多個(gè)熱源中的一個(gè)或多個(gè)的預(yù)定溫度流體或者流體混合物、或者來(lái)自所述多個(gè)電力源中的一個(gè)或多個(gè)的最佳電壓、電流或瓦特?cái)?shù)中的至少一個(gè)；以及啟動(dòng)所述多個(gè)流體源和電力源中的所選擇的至少一個(gè)的操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括以下步驟基于歷史系統(tǒng)性能和所預(yù)測(cè)的流體溫度及電流中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)確定系統(tǒng)效率改善。
10.一種用于同時(shí)地且分別地預(yù)測(cè)多個(gè)熱源或電力源、多個(gè)熱沉以及電力負(fù)載中的至少一個(gè)的最佳使用的方法，所述方法包括以下步驟 評(píng)估多個(gè)獨(dú)立的熱源或電力源、熱沉、或者電力負(fù)載中的至少一個(gè)的模型； 分析每一個(gè)獨(dú)立的熱源或電力源、熱沉、或者電力負(fù)載的歷史性能數(shù)據(jù)； 分析所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和熱沉中的每一個(gè)的當(dāng)前溫度和容量或者所述獨(dú)立的電力源和電力負(fù)載中的每一個(gè)的電壓和容量中的至少一個(gè)； 預(yù)測(cè)所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和熱沉中的每一個(gè)的流體溫度和可用容量以及所述多個(gè)獨(dú)立的電力源和電力負(fù)載中的每一個(gè)的電壓、電流、瓦特?cái)?shù)和可用容量中的至少一個(gè)； 預(yù)測(cè)所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的每一個(gè)的未來(lái)參數(shù)和性能參數(shù)； 確定所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源中的每一個(gè)的供給有效性參數(shù)； 預(yù)測(cè)所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的每一個(gè)在預(yù)定時(shí)間段的性倉(cāng)泛; 確定時(shí)間表，該時(shí)間表用于操作所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的每一個(gè)，來(lái)以最小標(biāo)準(zhǔn)誤差滿足至少一個(gè)預(yù)定的最佳參數(shù)；以及 啟動(dòng)所述多個(gè)獨(dú)立的熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的所選擇的至少一個(gè)的操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟 基于歷史系統(tǒng)性能和所預(yù)測(cè)的流體溫度及電流中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)確定系統(tǒng)效率改善。
12.—種具有被連接以被同時(shí)或者分別地控制的熱源或電力源、熱沉、或者電力負(fù)載的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)熱源或電力源、熱沉、或者電力負(fù)載； 連接至所述多個(gè)熱源和電力源、多個(gè)熱沉以及多個(gè)電力負(fù)載中的一個(gè)或多個(gè)的閥、泵和開關(guān)中的一個(gè)，用于在所述多個(gè)熱源和電力源、熱沉以及電力負(fù)載中的一個(gè)或多個(gè)之間獨(dú)立地切換；以及 計(jì)算機(jī)，其用于操作與所述多個(gè)熱源或電力源、熱沉和電力負(fù)載中的至少一個(gè)相連接的所述閥、泵和開關(guān)中的至少一個(gè)，用于可控制地獨(dú)立或組合使用所述多個(gè)流體源中的至少一個(gè)，或者可控制地獨(dú)立或組合使用所述電力源中的至少一個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括 一組指令，其能夠由所述計(jì)算機(jī)控制器執(zhí)行，用于選擇所述多個(gè)流體中的一個(gè)或多個(gè)以同時(shí)使用，以滿足用戶選擇的參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括 一組指令，其用于基于從一個(gè)或多個(gè)熱源和熱沉提取的或者添加至一個(gè)或多個(gè)熱源和熱沉的所述流體或者流體的混合物、以及進(jìn)入所述熱沉或者離開所述源的流體溫度來(lái)確定系統(tǒng)效率改善。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括 一組指令，其用于基于以進(jìn)入或者離開所述源或者熱沉的流體的溫度為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定系統(tǒng)效率改善。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括 一組指令，其用于基于所述系統(tǒng)的先前性能來(lái)確定如何隨時(shí)間進(jìn)行效率改善。
17.一種用于測(cè)量加熱與冷卻系統(tǒng)中的可用的熱儲(chǔ)存能量的方法，包括以下步驟 使用多個(gè)不同的流體源、熱沉和儲(chǔ)存器； 確定儲(chǔ)存在所述多個(gè)不同的流體源中的至少一個(gè)中的熱能； 確定所述多個(gè)不同的流體熱沉中的至少一個(gè)的熱能容量； 確定所述熱儲(chǔ)存源和熱沉中的至少一個(gè)的熱能儲(chǔ)存與耗散率； 確定熱儲(chǔ)存容量；以及 確定預(yù)定儲(chǔ)存時(shí)段內(nèi)的熱能損耗、增益及存留中的一個(gè)或多個(gè)。
18.一種用于確定在加熱與制冷系統(tǒng)中包括儲(chǔ)存器的多個(gè)不同的熱能量源和熱沉的最佳使用的方法，包括以下步驟 確定儲(chǔ)存在所述熱源中的一個(gè)或多個(gè)中的由所述系統(tǒng)可用的熱能； 確定所述系統(tǒng)可用的一個(gè)或多個(gè)熱沉的熱能容量； 確定所述一個(gè)或多個(gè)熱源、熱沉和儲(chǔ)存器的熱能儲(chǔ)存與耗散率； 分析預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的熱儲(chǔ)存容量； 預(yù)測(cè)儲(chǔ)存時(shí)段內(nèi)的熱能損耗和增益以及熱存留； 將可用的熱源與目標(biāo)參數(shù)比較； 選擇所述熱源或者熱沉中的至少一個(gè)；以及 啟動(dòng)所選擇的至少一個(gè)熱源或者熱沉的使用。
19.一種地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng),包括 多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源和熱沉；以及 多個(gè)地?zé)釤崃拷粨Q器流體回路，該多個(gè)地?zé)釤崃拷粨Q器流體回路獨(dú)立地循環(huán)或者分組，以允許多個(gè)不同的地?zé)崃黧w源和熱沉被同時(shí)用作獨(dú)立的源和熱沉，用來(lái)作為熱、冷或者其它溫度的流體源或者熱沉。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，其中所述獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)被專門用作年度或者季節(jié)性熱儲(chǔ)存器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，其中所述熱儲(chǔ)存器被設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存能量一預(yù)定時(shí)間段。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，其中所述多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)被配置成作為熱或者冷循環(huán)來(lái)優(yōu)化性能。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，其中所述多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的每一個(gè)的流體的流被獨(dú)立地連接，以由計(jì)算機(jī)控制器控制用于使用和混合。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的地?zé)釤崃拷粨Q器系統(tǒng)，還包括 地?zé)釤崃拷粨Q器，其與用于預(yù)定使用的所選擇的多個(gè)獨(dú)立的地?zé)崃黧w源中的一個(gè)或多個(gè)連接。
25.一種預(yù)制的中央能源設(shè)施，用于處理和運(yùn)輸與建筑、社區(qū)或校園中的空氣調(diào)節(jié)、力口熱、通風(fēng)、電力、或者其任何組合相關(guān)的能量,包括 用于多個(gè)熱能源或電能源、熱能熱沉、或者電能負(fù)載的多個(gè)連接件； 多個(gè)獨(dú)立的流體線路，每一個(gè)流體線路具有獨(dú)立的流體溫度，計(jì)算機(jī)控制閥或者泵，其與所述多個(gè)獨(dú)立的流體線路中的至少一個(gè)連接，用于控制流體移動(dòng)和混合；以及 至少一個(gè)計(jì)算機(jī)集成傳感器，用于感測(cè)溫度、流速、能量轉(zhuǎn)移速率或者總能量轉(zhuǎn)移中的至少一個(gè)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 混合式熱沉和混合式熱源中的至少一個(gè)，所述混合式熱沉和混合式熱源專門用于預(yù)定的儲(chǔ)存期間內(nèi)的用于熱儲(chǔ)存的熱流體、冷流體以及預(yù)定溫度流體中的一個(gè)或多個(gè)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 連接至所述多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)的熱泵、加熱裝置和冷卻裝置中的至少一個(gè)； 連接在熱泵、加熱裝置及冷卻裝置中的至少一個(gè)與所述多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)之間的控制閥和泵中的至少一個(gè)； 連接在熱泵、加熱裝置及冷卻裝置中的至少一個(gè)與所述多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)之間的傳感器； 被連接成將流體從所述多個(gè)流體源和熱沉中的至少一個(gè)移動(dòng)至熱泵、加熱裝置和冷卻裝置中的至少一個(gè)的泵。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 至少一個(gè)裝配式橇裝單元或者模塊化可運(yùn)輸單元。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，其中所述預(yù)制的中央能源設(shè)施是可擴(kuò)縮的。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，其中通過(guò)添加額外的模塊化可運(yùn)輸單元、家用熱水源、額外的加熱單元、額外的冷卻單元、額外的熱能儲(chǔ)存器部件、額外的傳感器、額外的泵、額外的閥及類似物中的至少一個(gè)，所述預(yù)制的中央能源設(shè)施是可擴(kuò)展的。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 兩端式分配集管，其具有將暖流體引導(dǎo)至所述兩端式分配集管的一端并且將比所述暖流體冷的冷流體引導(dǎo)至所述兩端式分配集管的另一端的分立的供給線路和返回線路。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 用于基于使用量來(lái)對(duì)加熱與冷卻供給進(jìn)行計(jì)量和計(jì)費(fèi)的算法。
33.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 人工智能軟件，其由計(jì)算機(jī)執(zhí)行以可控制地混合流體和將流體移進(jìn)和移出多個(gè)熱源和熱沉中的一個(gè)或多個(gè)以及移進(jìn)和移出多個(gè)電力源和電力負(fù)載中的一個(gè)或多個(gè)。
34.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 用于設(shè)計(jì)和設(shè)置的集成軟件。
35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 用于跟蹤性能數(shù)據(jù)并且與設(shè)計(jì)者和建筑操作者共享所述性能數(shù)據(jù)的軟件和互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)連接。
36.一種能夠管理多個(gè)能量采集裝置的預(yù)制的中央能源設(shè)施，包括 太陽(yáng)熱、地?zé)?、太?yáng)能光伏、能量回收裝置、或者燃料電池中的一個(gè)或者多個(gè)； 控制器，其與所述太陽(yáng)熱、地?zé)?、太?yáng)能光伏、能量回收裝置、或者燃料電池中的一個(gè)或者多個(gè)耦合； 計(jì)算機(jī)，其用于同時(shí)地且獨(dú)立地管理所述太陽(yáng)熱、地?zé)帷⑻?yáng)能光伏、能量回收裝置、以及燃料電池中的一個(gè)或者多個(gè)和所述控制器；以及 一組指令，能夠在所述計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，以控制所述太陽(yáng)熱、地?zé)?、太?yáng)能光伏、能量回收裝置和燃料電池中的每一個(gè)以及所述控制器的操作，所述控制器能夠基于每天時(shí)間和季節(jié)時(shí)間在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)預(yù)測(cè)和測(cè)量所述太陽(yáng)熱、地?zé)?、太?yáng)能光伏、能量回收裝置和燃料電池中的每一個(gè)的容量。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 太陽(yáng)熱能裝置、地?zé)崮芰垦b置、太陽(yáng)能光伏能量裝置、能量回收裝置和燃料電池能量裝置中的一個(gè)或者多個(gè)中的每一個(gè)的一個(gè)或者多個(gè)操作和控制模型，用于基于每天時(shí)間和季節(jié)時(shí)間隨著時(shí)間預(yù)測(cè)和測(cè)量所述太陽(yáng)熱能裝置、地?zé)崮芰垦b置、太陽(yáng)能光伏能量裝置、能量回收裝置和燃料電池能量裝置中的一個(gè)或者多個(gè)的容量。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 一組指令，其用于計(jì)算機(jī)化設(shè)置和配置，以促進(jìn)有效地給預(yù)定的建筑、預(yù)定的負(fù)載和預(yù)定的操作環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)定制設(shè)施。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 一組計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)工具，該組設(shè)計(jì)工具與所述預(yù)制的中央能源設(shè)施集成，用于促進(jìn)配置所述預(yù)制的中央能源設(shè)施以滿足預(yù)定的建筑負(fù)載和操作環(huán)境。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的預(yù)制的中央能源設(shè)施，還包括 一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的設(shè)置指令，該組設(shè)置指令被集成以用于配置和設(shè)置所述預(yù)制的中央能源設(shè)施。
41.一種用于HVAC系統(tǒng)配置的方法，包括以下步驟 對(duì)于一組參數(shù)中的任一個(gè)、一組參數(shù)的組合、或?yàn)榱诉m應(yīng)一組參數(shù)，最優(yōu)化系統(tǒng)部件的選擇、互通性和尺寸中的至少一個(gè)，所述一組參數(shù)包括最初成本、運(yùn)行成本、生命周期成本、收支平衡日期、能量使用、環(huán)境影響、熱舒適性和空氣質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的用于HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，還包括以下步驟 添加用戶輸入優(yōu)化矩陣和設(shè)定點(diǎn)以及限值中的至少一個(gè)，以約束最終方案的選擇。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的用于HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，還包括以下步驟 將所述系統(tǒng)配置為一種預(yù)制系統(tǒng)。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的用于HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，還包括以下步驟 從至少一個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)接收實(shí)際系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)并使用該實(shí)際系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)，以基于所述實(shí)際系統(tǒng)性能來(lái)改善最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了采用能量底盤裝置的系統(tǒng)、方法和裝置，所述能量底盤裝置被設(shè)計(jì)成使用采集能量或者將能量轉(zhuǎn)至需要能量的位置的裝置來(lái)感測(cè)、收集、儲(chǔ)存和分配來(lái)自可獲得能量的位置的能量，例如但不局限于HVAC(加熱、通風(fēng)和冷卻)系統(tǒng)。該系統(tǒng)、方法及裝置還可以與下一代地?zé)釤崃拷粨Q器一起使用，該下一代地?zé)釤崃拷粨Q器實(shí)現(xiàn)較高的能量采集效率并且提供比當(dāng)前的地?zé)峤粨Q器更強(qiáng)大的功能。
文檔編號(hào)G05B13/00GK102985882SQ201180022464
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者史蒂芬·A·哈姆斯特拉, W·邁克爾·林 申請(qǐng)人:格林斯里弗斯有限公司