用于環(huán)境控制系統(tǒng)的輻射供熱控制和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利說明書涉及用于控制供熱系統(tǒng)以將過沖效應(yīng)和下沖效應(yīng)最小化的系統(tǒng)和 方法。更特別地，本專利說明書涉及控制單元，所述控制單元管理能耗系統(tǒng)、家用裝置、或其 他資源消耗系統(tǒng)的操作，包括用于控制供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（HVAC)系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大量的努力和注意力繼續(xù)針對于發(fā)展更新、更可持續(xù)的能源供應(yīng)。通過提高能源 效率節(jié)能對于全球的能源未來仍然是至關(guān)重要的。根據(jù)來自美國能源部的2010年10月的 報告，在典型的美國家庭中，供熱和制冷占據(jù)了能源使用的56%，從而使其對于大多數(shù)家庭 而言成為最大的能源消費。隨著與家庭供熱和制冷相關(guān)的物理設(shè)備的改進（例如，改進的 絕緣、更高效率的爐子），通過更好地控制和管理家庭供熱和制冷設(shè)備，可以實現(xiàn)大幅度提 高能源效率。一個特別的能源低效率的操作包括公知的"過沖"和"下沖"，其中對于過沖，盡 管供熱操作已經(jīng)不再繼續(xù)，但是周圍溫度仍然在設(shè)定點溫度之上繼續(xù)上升，然而對于下沖， 即使在供熱操作已經(jīng)恢復(fù)以后，周圍溫度仍然在設(shè)定點溫度之下繼續(xù)下降。該問題在輻射 供熱系統(tǒng)中尤其明顯，并且通常導(dǎo)致達不到理想舒適條件。過沖和下沖通常由于受熱封閉 空間的熱慣性或被供熱的質(zhì)量大小。常規(guī)控制系統(tǒng)的避免不期望的過沖效應(yīng)和下沖效應(yīng)的 效率有限。
[0003] 如在技術(shù)出版號為50-8433、來自Honeywell (1997)的題目為"竊電恒溫器（Power Stealing Thermostats) "的文獻中討論的，早期的恒溫器利用雙金屬條來感測溫度并且響 應(yīng)于房間內(nèi)的溫度變化。雙金屬條的運動用于直接打開和閉合電路。每當(dāng)閉合接觸以對受 控空間提供加熱和/或制冷時，電力被輸送到機電致動器，通常為HVAC設(shè)備中的繼電器或 接觸器。由于這些恒溫器不需要電功率來操作，因此線路連接是非常簡單的。僅一根電線 連接到變壓器，而另一根電線連接到負載。典型地，24V交流電源變壓器、恒溫器、和24V交 流HVAC設(shè)備繼電器均被連接在回路中，其中每一裝置僅具有兩個需要的外部連接。
[0004] 當(dāng)電子技術(shù)開始用在恒溫器中時，恒溫器不直接地接線到其電源的變壓器的兩側(cè) 的事實產(chǎn)生了問題。這意味著恒溫器必須從系統(tǒng)變壓器直接地硬接線。從變壓器到電子恒 溫器直接硬接通常的"C"電線可能非常困難并且成本非常高。
[0005] 因為很多家庭不具有從系統(tǒng)變壓器的直接電線（例如，"C"電線），故一些恒溫器 已經(jīng)設(shè)計成從變壓器通過設(shè)備負載獲取電力。用于利用到變壓器的單個直接電線連接從 變壓器給電子恒溫器供電的方法稱為"竊電"或"電力分享"方法。恒溫器在供熱或制冷系 統(tǒng)的"關(guān)閉（OFF)"期間通過在負載線圈的響應(yīng)閾值之下（甚至在最大變壓器輸出電壓處） 允許少量電流流過它到負載線圈中來"竊取"、"分享"或"獲得"其電力。在供熱或制冷系 統(tǒng)的"開啟（ON)"期間，恒溫器通過允許小的電壓降跨越它本身而引來電力。理想地，該電 壓降不會引起負載線圈衰落到它的響應(yīng)閥值之下（甚至在最小變壓器輸出電壓處）。具 有竊電能力的恒溫器的不例包括Honeywell T8600、Honeywell T8400C和Emerson Model 1F97-0671。然而，這些系統(tǒng)不具有電力儲存裝置，因此必須總是依賴于竊電。
[0006] 此外，微處理器控制的"智能"恒溫器可以具有更先進的環(huán)境控制能力，這可以節(jié) 約能源，但同時使居住者舒適。為此，這些恒溫器需要來自居住者和這些恒溫器所處的環(huán)境 的更多的信息。這些恒溫器還能夠連接到計算機網(wǎng)絡(luò)，包括局域網(wǎng)（或其他"私人"網(wǎng)絡(luò)） 和廣域網(wǎng)、例如因特網(wǎng)（或其他"公共"網(wǎng)絡(luò)），以便獲得當(dāng)前和預(yù)測到的外部氣象數(shù)據(jù)，配 合所謂的需求-響應(yīng)程序（例如，在極端天氣期間與由公用事業(yè)公司發(fā)布的電力警報自動 一致），使得用戶能夠通過他們的網(wǎng)絡(luò)連接裝置（例如，智能手機、平板電腦、基于PC的網(wǎng)頁 瀏覽器）遠程訪問和/或控制恒溫器，以及具有其他可能需要網(wǎng)絡(luò)連接的先進功能。
[0007] 利用高功率的用戶界面提供微處理器控制的恒溫器引起了問題，通過下文描述的 實施方式中的一個或多個實施方式至少部分地解決了這些問題中的一個或多個問題。一方 面，需要提供具有先進功能的恒溫器，例如那些與相對強大的微處理器和可靠的無線通信 芯片相關(guān)的功能。另一方面，需要提供一種恒溫器，該恒溫器兼容并適于安裝在大多數(shù)家庭 中，包括如上討論的未裝備有"C"電線的大多數(shù)家庭。還需要提供一種恒溫器，該恒溫器使 得能夠簡單的自己安裝，從而對于大量用戶能夠避免安排HVAC技工來住所安裝恒溫器的 花費和不便。還需要提供一種恒溫器，該恒溫器具有處理電力能力、無線通信能力、視覺上 令人愉悅的顯示品質(zhì)、以及其他的先進功能，同時還為除了不需要"C"電線、同樣不需要插 入到家庭線路電流或所謂的"電力轉(zhuǎn)換盒（power brick)"中（這對于恒溫器的特定位置是 不便的并且是難看的）的恒溫器。因此，現(xiàn)有技術(shù)需要改進。
[0008] 而且，在以下⑴和（ii)之間的交界處引起了重要的問題：⑴可以利用已知的 感測和處理方法實現(xiàn)的節(jié)能技術(shù)，和（ii)實施這種節(jié)能技術(shù)的裝置的實際用戶廣泛采用 和將那些裝置集成到他們的日常生活和環(huán)境中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)尤其重要的是用戶和節(jié)能裝置之 間的接觸構(gòu)成了特別愉悅的體驗，對于恒溫器的情況，所述接觸可以包括以下二者：（i)當(dāng) 與恒溫器配合時用戶體驗的品質(zhì)和愉悅感，以及（ii)通過由恒溫器控制周圍溫度的方式 提供的物理舒適度，或者用戶可以快速地"關(guān)閉"或"關(guān)掉"裝置及其節(jié)能優(yōu)勢，例如通過停 用先進特征（例如，在永久的基礎(chǔ)上將他們的恒溫器設(shè)置成"臨時"手動超控模式）或者甚 至將它送回售貨方并且用他們的舊裝置或"較不復(fù)雜的"裝置替換它。在提供智能的、多 感測的、連接網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能裝置的背景下引起了一個或多個問題，所述裝置包括智能控制輻 射供熱系統(tǒng)、給用戶提供包括對周圍溫度的有效且合適的控制的整個愉悅的用戶體驗的裝 置。鑒于本教導(dǎo)，引起的其他問題對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的實施方式描述了利用預(yù)測控制的裝置、系統(tǒng)和方法，以調(diào)節(jié)封閉空間，例 如家庭。這種控制可以增強HVAC系統(tǒng)的功能，特別是在與輻射供熱系統(tǒng)一起使用時。根據(jù) 一個方面，在此描述了恒溫器。該恒溫器包括殼體、存儲器和設(shè)置在殼體中的處理系統(tǒng)。該 處理系統(tǒng)可以與一個或多個溫度傳感器可操作地通信，以確定封閉空間內(nèi)的周圍溫度，并 且可以與存儲器可操作地通信。該處理系統(tǒng)還可以與輻射供熱系統(tǒng)可操作地通信，以借助 輻射供熱給封閉空間供熱，使得周圍溫度接近于設(shè)定點溫度。
[0010] 在一個實施方式中，處理系統(tǒng)可以確定參數(shù)化模型，根據(jù)該參數(shù)化模型確定響應(yīng) 于候選輻射供熱控制策略的封閉空間的周圍溫度的預(yù)測值。該參數(shù)化模型可以基于在相關(guān) 的歷史周期期間由恒溫器獲得的封閉空間的歷史周圍溫度，在所述歷史周期中，輻射熱控 制被恒溫器啟動并且存儲在存儲器中。該處理系統(tǒng)還可以選擇一組候選控制策略用于控制 輻射供熱系統(tǒng)。每一候選控制策略可以為在預(yù)定候選控制持續(xù)時間上具有候選整個開啟時 間百分比的二進制值控制軌跡。每一候選控制策略還可以被限制成具有實現(xiàn)候選整個開啟 時間百分比的最少數(shù)目的開啟時間循環(huán)。
[0011] 處理系統(tǒng)還可以執(zhí)行預(yù)測算法以從所述一組候選控制策略中確定最優(yōu)控制策略。 根據(jù)一些實施方式，可以通過以下操作來進行該確定：將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化 模型以預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度軌跡以及鑒于一個或多個預(yù)定評估函數(shù)來處理每一相應(yīng)的周 圍溫度軌跡以根據(jù)一個或多個預(yù)定評估標準來選擇候選控制策略中最優(yōu)的一個。所述一個 或多個預(yù)定評估函數(shù)可以包括成本函數(shù)，在成本函數(shù)中，成本隨著各候選控制策略的周圍 溫度軌跡偏離設(shè)定點溫度而增大。處理系統(tǒng)還可以根據(jù)所選擇的最優(yōu)控制策略來控制輻射 供熱系統(tǒng)。
[0012] 在一些實施方式中，每一候選控制策略在預(yù)定候選控制持續(xù)時間上可以展示單個 開啟時間循環(huán)到關(guān)閉時間循環(huán)的過渡。在其他實施方式中，在預(yù)定候選控制持續(xù)時間期間， 輻射供熱系統(tǒng)執(zhí)行開啟時間循環(huán)到關(guān)閉時間循環(huán)的過渡不能超過兩次。根據(jù)一個實施方 式，開啟時間循環(huán)和關(guān)閉時間循環(huán)可以具有不小于10分鐘的間隔。處理系統(tǒng)可以額外地確 定時滯（Lag)值，該Lag值表示封閉空間的熱質(zhì)量或熱慣性的量。該參數(shù)化模型可以包括 預(yù)定響應(yīng)軌跡，其中針對預(yù)定響應(yīng)軌跡尋找或計算加權(quán)系數(shù)。
[0013] 在一些實施方式中，參數(shù)化模型基于在相關(guān)的歷史周期期間獲得的歷史太陽輻射 和輻射供熱響應(yīng)數(shù)據(jù)的組合。在這種實施方式中，將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模型 可以包括利用太陽輻射函數(shù)和輻射供熱響應(yīng)函數(shù)來預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度軌跡。參數(shù)化模型 還可以基于在相關(guān)的歷史周期期間獲得的歷史外部溫度數(shù)據(jù)。在這些實施方式中，將每一 候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模型可以包括利用預(yù)報的溫度數(shù)據(jù)來預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度軌 跡。
[0014] 在其他實施方式中，參數(shù)化模型還可以基于在相關(guān)的歷史周期期間針對以下一個 或多個數(shù)據(jù)類型獲得的歷史數(shù)據(jù)：季節(jié)性氣候變化數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、積雪數(shù)據(jù)、和 /或海拔數(shù)據(jù)。在這種實施方式中，將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模型可以包括利用針 對所述一個或多個數(shù)據(jù)類型的預(yù)報數(shù)據(jù)或以其他方式選擇的數(shù)據(jù)來預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度 軌跡。
[0015] 根據(jù)一些實施方式，處理系統(tǒng)可以當(dāng)周圍溫度在設(shè)定點溫度的限定的維持帶外部 時，限制輻射供熱系統(tǒng)的循環(huán)過渡（即，或開啟或關(guān)閉）。在另一實施方式中，處理系統(tǒng)可以 增大維持帶的偏移值，該偏移值限定了相對于設(shè)定點溫度的上閥值溫度和下閥值溫度。偏 移值可以基于參數(shù)化模型對歷史周圍溫度進行特征化的置信度增大而增大。
[0016] 根據(jù)另一方面，在此描述了利用模型預(yù)測控制來控制恒溫器的方法。根據(jù)該方法， 提供了具有殼體、存儲器和設(shè)置在所述殼體內(nèi)的處理系統(tǒng)的恒溫器。如在此所描述的，處理 系統(tǒng)可以與一個或多個溫度傳感器可操作地通信，以確定封閉空間內(nèi)的周圍溫度，并且可 以與存儲器可操作地通信。處理系統(tǒng)還可以與輻射供熱系統(tǒng)可操作地通信，以借助輻射供 熱給封閉空間供熱，使得周圍溫度接近于設(shè)定點溫度。根據(jù)該方法，可以確定參數(shù)化模型， 根據(jù)該參數(shù)化模型確定響應(yīng)于候選輻射供熱控制策略的封閉空間的周圍溫度的預(yù)測值。參 數(shù)化模型可以基于在相關(guān)的歷史周期期間由恒溫器獲得的封閉空間的歷史周圍溫度，在所 述歷史周期中，輻射熱控制被恒溫器啟動并且存儲在存儲器中。
[0017] 根據(jù)該方法，可以選擇一組候選控制策略用于控制輻射供熱系統(tǒng)。每一候選控制 策略可以為在預(yù)定候選控制持續(xù)時間上具有候選整個開啟時間百分比的二進制值控制軌 跡。此外，每一候選控制策略可以被限制成具有實現(xiàn)候選整個開啟時間百分比的最少數(shù)目 的開啟時間循環(huán)。根據(jù)該方法，可以執(zhí)行預(yù)測算法以從一組候選控制策略中確定最優(yōu)控制 策略。可以通過以下操作來執(zhí)行該確定：將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模型以預(yù)測相 應(yīng)的周圍溫度軌跡以及鑒于一個或多個預(yù)定評估函數(shù)來處理每一相應(yīng)的周圍溫度軌跡以 根據(jù)一個或多個預(yù)定評估標準來選擇候選控制策略中最優(yōu)的一個。如在此所描述的，所述 一個或多個預(yù)定評估函數(shù)可以包括成本函數(shù)，在該成本函數(shù)中，成本隨著各候選控制策略 的周圍溫度軌跡偏離設(shè)定點溫度而增大。根據(jù)該方法，可以根據(jù)所選擇的最優(yōu)控制策略來 控制輻射供熱系統(tǒng)。
[0018] 在一些實施方式中，可以確定關(guān)于相對于在利用模型預(yù)測控制之前的其他控制方 法，模型預(yù)測控制是否提供了輻射供熱系統(tǒng)的增強的控制。還可以計算、測量或以其它方式 確定表示封閉空間的熱質(zhì)量或熱慣性的量的Lag值。在一些實施方式中，開啟時間循環(huán)和 關(guān)閉時間循環(huán)可以具有不小于10分鐘的間隔。在一些實施方式中，參數(shù)化模型可以包括預(yù) 定響應(yīng)軌跡，并且該方法還可以包括：確定預(yù)定響應(yīng)軌跡的加權(quán)系數(shù)。
[0019] 如在此所描述的，參數(shù)化模型可以基于在相關(guān)的歷史周期期間獲得的歷史太陽輻 射和輻射供熱響應(yīng)數(shù)據(jù)的組合。在這種實施方式中，將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模 型可以包括利用太陽輻射函數(shù)和輻射供熱響應(yīng)函數(shù)來預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度軌跡。在一些實 施方式中，參數(shù)化模型還可以基于在相關(guān)的歷史周期期間獲得的歷史外部溫度數(shù)據(jù)。在這 種實施方式中，將每一候選控制策略應(yīng)用到參數(shù)化模型可以包括利用預(yù)報的溫度數(shù)據(jù)來預(yù) 測相應(yīng)的周圍溫度軌跡。
[0020] 根據(jù)一些方法，當(dāng)周圍溫度在設(shè)定點溫度的限定的維持帶外部時，可以限制或約 束輻射供熱系統(tǒng)的循環(huán)過渡。根據(jù)另一方法，可以調(diào)整維持帶的偏移值，該偏移值限定了相 對于設(shè)定點溫度的上閥值溫度和下閥值溫度?？梢曰趨?shù)化模型對歷史周圍溫度進行特 征化的置信度來調(diào)整該偏移值。
[0021] 根據(jù)另一方面，在此描述了恒溫器。該恒溫器包括殼體、存儲器和設(shè)置在殼體中的 處理系統(tǒng)。出于上述原因，該處理系統(tǒng)可以配置成與一個或多個溫度傳感器、存儲器、以及 輻射供熱系統(tǒng)可操作地通信。根據(jù)一個實施方式，處理系統(tǒng)可以確定參數(shù)化模型，根據(jù)該參 數(shù)化模型確定響應(yīng)于候選輻射供熱控制策略的封閉空間的周圍溫度的預(yù)測值。該參數(shù)化模 型可以基于在相關(guān)的歷史周期期間由恒溫器獲得的封閉空間的歷史周圍溫度，在所述歷史 周期中，輻射熱控制被恒溫器啟動并且存儲在存儲器中。置信度指標可以與參數(shù)化模型相 關(guān)聯(lián)。
[0022] 處理系統(tǒng)還可以確定維持帶用于輻射供熱系統(tǒng)的操作。該維持帶可以具有偏移 值，該偏移值限定了相對于設(shè)定點溫度的上閥值溫度和下閥值溫度。該維持帶可以用于控 制輻射供熱系統(tǒng)的開啟循環(huán)過渡和關(guān)閉循環(huán)過渡。在一些實施方式中，該偏移值可以取決 于參數(shù)化模型的置信度指標。例如，如果該置信度指標大，則該偏移值可以較大，而如果該 置信度指標小，則該偏移值可以較小。處理系統(tǒng)還可以通過將每一候選控制策略應(yīng)用到參 數(shù)化模型以預(yù)測相應(yīng)的周圍溫度軌跡，來執(zhí)行預(yù)測算法以從一組候選控制策略中確定最優(yōu) 控制策略。處理系統(tǒng)還可以利用維持帶根據(jù)所確定的最優(yōu)控制策略來控制輻射供熱系統(tǒng)。
[0023] 根據(jù)一個實施方式，每一候選控制策略可以為在預(yù)定候選控制持續(xù)時間上具