用于控制热能交换器的能量传送的方法和系统与流程

[0001]
本发明涉及一种用于控制热能交换器的能量传送的方法和控制系统。具体地，本发明涉及一种用于控制hvac系统的热能交换器的能量传送的方法和控制系统。


背景技术：

[0002]
通过调节通过hvac系统的热能交换器的流体流量，可能调整由热能交换器传送到热能交换器的次级侧的能量的量。例如，通过调节由热交换器递送的用于加热或冷却建筑中的房间的能量的量，或者通过调节由制冷器提取的用于冷却目的的能量的量，来对应地调整能量交换或功率传送。当通过hvac系统的流体回路的流体运输由一个或多个泵或风扇驱动时，通常通过使孔口（开口）或阀的位置变化来例如手动或通过致动器的方式调节流量。热能交换器的效率在高流速率下降低，在所述高流速率下，流体以增加的速率冲刷通过热能交换器，而不导致能量交换的显著增加。此外，hvac系统中热能交换器的实际能量传送特性依赖于建筑或工厂特性以及各种环境条件，诸如温度、湿度等。基本上，可以基于通过热能交换器的流体流量（流速率）和能量交换器之上的温度差（即进入热能交换器的流体的入口温度t
输入
与离开热能交换器的流体的出口温度t
输出
之间的差）来计算热能交换器的能量传送q。在稳定/静态场景下，能量传送的计算对于控制能量传送足够准确。然而，在具有许多瞬态事件和过程（例如频繁改变的流速率和温度差）的hvac系统和场景中，单独能量传送的该基本计算经常不足够用于能量传送的准确控制。
[0003]
wo 2017/036674描述了一种通过记录测量数据集来操作热能交换器的方法，所述数据集具有定义标准化能量传送的时间特定数据值，所述标准化能量传送表示在热能交换器中从热传送流体传送到空气的热能，所述热能由至少一个空气侧变量标准化；为测量数据集计算由标准化能量传送定义的标准化数据点；为热能交换器确定特性能量传送曲线，所述特性能量传送曲线拟合标准化数据点并且指示热能交换器中从热传送流体到空气的预期能量传送；以及在特性能量传送曲线上操作热能交换器。
[0004]
us 2015/153119描述了一种用于以下操作的方法：通过测量在热交换器的初级侧和次级侧的入口和出口处的四个温度中的至少三个来操作热交换器；根据所测量的温度来确定热交换器的饱和水平；以及使用饱和水平来控制热交换器的操作。
[0005]
us 2014/222218描述了一种用于以下操作的方法：通过经验地为hvac系统的能量消耗者确定能量流量和/或供应温度与返回温度之间的温度差对通过能量消耗者的体积流速率的依赖性来操作hvac系统；以及根据（一个或多个）所确定的依赖性来操作hvac系统。
[0006]
wo 2015/171196描述了一种用于以下操作的方法：通过测量hvac系统的一个或多个变量（例如hvac系统的入口和/或出口温度）来确定hvac系统中的热能量流量；使用数学或物理模型，将所测量的变量输入到虚拟流体流量系统中，以确定hvac系统的流体流量；以及使用由虚拟流体流量系统确定的流体流量和感测的温度来确定热能量流量。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提供一种用于控制hvac系统的热能交换器的能量传送的方法和控制系统，该方法和控制系统不具有现有技术的至少一些缺点。特别地，本发明的目的是提供一种用于控制具有许多瞬态事件和过程的hvac系统的热能交换器的能量传送的方法和控制系统。
[0008]
根据本发明，这些目的通过独立权利要求的特征来实现。此外，由从属权利要求和说明书中得出进一步的有利实施例。
[0009]
根据本发明，上面提及的目的特别地在以下方面中得以实现：为了控制hvac系统的热能交换器的能量传送，流量传感器测量通过热能交换器的流体流量。第一温度传感器测量在连接到热能交换器的入口的供应管中的流体的供应温度，并且第二温度传感器测量在连接到热能交换器的出口的返回管中的流体的返回温度。控制系统使用一个或多个测量数据集来确定用于对热能交换器的性能进行建模的流量依赖模型参数，由此每个测量数据集针对相应的测量时间包括流体的测量流量值、流体的测量供应温度值以及流体的测量返回温度值。使用流量依赖模型参数，控制系统计算热能交换器的估计能量传送，并且通过使用估计能量传送来调节通过热能交换器的流体流量，从而控制热能交换器的能量传送。
[0010]
如本领域技术人员将理解的，如本文中所使用的术语“流量”也指的是“流速率”，因此，例如，由流量传感器测量的流体流量与由流量传感器测量的流体流速率相关。同样，如本文中所使用的术语“能量传送”也指的是“能量传送速率”，因此，例如，热能交换器的能量传送与热能交换器的能量传送速率相关。
[0011]
在实施例中，确定流量依赖模型参数包括控制系统确定流体从第一温度传感器移动到热能交换器的供应管中的延迟时间，以及确定流体从热能交换器移动到第二温度传感器的返回管中的延迟时间。
[0012]
在进一步的实施例中，确定流量依赖模型参数包括控制系统确定热能交换器的能量传送系数。
[0013]
在实施例中，确定流量依赖模型参数包括控制系统确定与热能交换器的次级侧相关联的次级温度。
[0014]
在实施例中，确定流量依赖模型参数包括控制系统确定流体用于替换热能交换器的总流体含量的交换时间。
[0015]
在进一步的实施例中，确定流量依赖模型参数包括控制系统确定返回管中流体的估计返回温度，以及设置流量依赖模型参数以诸如使估计返回温度与测量返回温度之间的差最小化。
[0016]
在实施例中，计算估计能量传送包括控制系统确定在热能交换器中从流体提取的估计能量运输，确定存储在热能交换器中的能量含量，以及计算作为能量运输和能量含量的差的估计能量传送。
[0017]
在进一步的实施例中，确定估计能量运输包括控制系统使用测量供应温度和在流体从第一温度传感器移动到热能交换器的供应管中的延迟时间来确定热能交换器的输入温度；使用测量返回温度和在流体从热能交换器移动到第二温度传感器的返回管中的延迟时间来确定热能交换器的输出温度；以及根据测量流体流量、确定的热能交换器的输入温度以及确定的热能交换器的输出温度来计算估计能量运输。
[0018]
在实施例中，控制系统接收目标能量传送，并且基于目标能量传送和估计能量传送的比较，通过调节通过热能交换器的流体流量来控制能量传送。
[0019]
在进一步的实施例中，调节通过热能交换器的流体流量包括控制系统基于目标能量传送和估计能量传送的比较来确定目标流量，以及基于目标流量和测量流体流量的比较来调节通过热能交换器的流体流量。
[0020]
除了控制hvac系统中热能交换器的能量传送的方法之外，本发明还涉及用于控制hvac系统的热能交换器的能量传送的控制系统。该控制系统包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为从流量传感器获得通过热能交换器的测量流体流量；从第一温度传感器获得在连接到热能交换器的入口的供应管中的流体的供应温度；从第二温度传感器获得在连接到热能交换器的出口的返回管中的流体的返回温度；使用一个或多个测量数据集来确定用于对热能交换器的性能进行建模的流量依赖模型参数，每个测量数据集针对相应的测量时间包括流体的测量流量值、流体的测量供应温度值以及流体的测量返回温度值；使用流量依赖模型参数来计算热能交换器的估计能量传送；以及通过使用估计能量传送来调节通过热能交换器的流体流量，从而控制热能交换器的能量传送。
[0021]
在实施例中，处理器进一步被配置为利用流量依赖模型参数来确定在流体从第一温度传感器移动到热能交换器的供应管中的延迟时间，以及在流体从热能交换器移动到第二温度传感器的返回管中的延迟时间。
[0022]
在实施例中，处理器进一步被配置为利用流量依赖模型参数来确定热能交换器的能量传送系数。
[0023]
在实施例中，处理器进一步被配置为用流量依赖模型参数来确定与热能交换器的次级侧相关联的次级温度。
[0024]
在实施例中，处理器进一步被配置为利用流量依赖模型参数来确定用于替换热能交换器的总流体含量的流体的交换时间。
[0025]
在实施例中，处理器进一步被配置为通过确定返回管中的流体的估计返回温度，并且设置流量依赖模型参数以诸如使估计返回温度与测量返回温度之间的差最小化，来确定流量依赖模型参数。
[0026]
在实施例中，处理器进一步被配置为通过确定在热能交换器中从流体提取的估计能量运输，确定存储在热能交换器中的能量含量，以及计算作为能量运输和能量含量的差的估计能量传送来计算估计能量传送。
[0027]
在实施例中，处理器进一步被配置为通过使用测量供应温度和在流体从第一温度传感器移动到热能交换器的供应管中的延迟时间来确定热能交换器的输入温度；使用测量返回温度和流体从热能交换器移动到第二温度传感器的返回管中的延迟时间来确定热能交换器的输出温度；以及根据测量流体流量、热能交换器的输入温度以及热能交换器的输出温度来计算估计能量运输，从而确定估计能量运输。
[0028]
在实施例中，处理器进一步被配置为接收目标能量传送，并且基于目标能量传送和估计能量传送的比较，通过调节通过热能交换器的流体流量来控制能量传送。
[0029]
在实施例中，处理器进一步被配置为通过基于目标能量传送和估计能量传送的比较来确定目标流量，从而调节通过热能交换器的流体流量；以及基于目标流量和测量流体流量的比较来调节通过热能交换器的流体流量。
[0030]
除了用于控制hvac系统中热能交换器的能量传送的方法和控制系统之外，本发明还涉及一种计算机程序产品，包括具有计算机程序代码存储在其上的非瞬态计算机可读介质，所述计算机程序代码被配置为控制用于控制hvac系统的热能交换器的能量传送的控制系统的处理器。计算机程序代码被配置为控制处理器，使得处理器施行以下步骤：从流量传感器获得通过热能交换器的测量流体流量；从第一温度传感器获得在连接到热能交换器的入口的供应管中的流体的供应温度；从第二温度传感器获得在连接到热能交换器的出口的返回管中的流体的返回温度；使用一个或多个测量数据集来确定用于对热能交换器的性能进行建模的流量依赖模型参数，每个测量数据集针对相应的测量时间包括流体的测量流量值、流体的测量供应温度值以及流体的测量返回温度值；使用流量依赖模型参数来计算热能交换器的估计能量传送；以及使用估计能量传送，通过调节通过热能交换器的流体流量来控制热能交换器的能量传送。
[0031]
在实施例中，计算机程序代码进一步被配置为控制处理器，使得处理器施行如上概述的控制hvac系统中的阀的打开的方法的步骤。
附图说明
[0032]
将参考附图通过示例的方式更详细地解释本发明，在附图中：图1示出了示意性图示hvac系统的框图，该hvac系统包括热能交换器和具有流量调节器系统的热传送流体运输系统。
[0033]
图2示出了示意性图示经由通信网络连接到远程计算机系统的hvac系统的框图。
[0034]
图3示出了示意性图示hvac系统的框图，该hvac系统包括经由通信网络连接到本地计算机系统的控制器。
[0035]
图4示出了示意性图示hvac系统的框图，该hvac系统包括具有控制器的计算机系统。
[0036]
图5示出了图示控制hvac系统中热能交换器的能量传送的示例性步骤序列的流程图。
[0037]
图6示出了组合的流程和框图，其图示了用于控制hvac系统中热能交换器的能量传送的示例性步骤序列。
具体实施方式
[0038]
在图1-4和6中，参考标记10指的是hvac系统（加热、通风和空气调节）。如图1和6中所图示的，hvac系统10包括热能交换器1，例如用于加热的热交换器或用于冷却的冷却设备。如图1和6中进一步所图示的，hvac系统10包括用于移动（热传送）流体通过热能交换器1的流体运输系统2，所述流体例如液体（例如水）和/或制冷剂或气体（例如空气）。如图1中示意性指示的，流体运输系统2包括用于引导流体流量通过热能交换器1的流体运输线（管或导管）、流量调节器系统20以及相应地用于驱动和控制流体流量通过热能交换器1的泵25或风扇。如图1中示意性指示的，流体运输系统2连接到能源26，例如加热设备（熔炉、热泵）或冷却设备（制冷器）。具体地，流体运输线包括用于将流体从流量调节器系统20馈送到热能交换器1的供应管21（或导管），以及用于将流体从热能交换器1返回到流量调节器系统20的返回管22（或导管）。如图1中进一步图示的，流量调节器系统20包括（机动化的）阀204或断
续器（stutter），其相应地具有致动器205、控制器200和流量传感器203。hvac系统10进一步包括布置在供应管21中的第一温度传感器201，用于确定供应到热能交换器1的流体的温度t
供应
，以及布置在返回管22中的第二温度传感器202，用于确定从热能交换器1返回的流体的温度t
返回
。传感器进一步包括通信模块，该通信模块被配置用于与计算机系统4和/或控制器200进行无线和/或有线数据通信（包括模拟信令）。
[0039]
如图1-4中所图示的，hvac系统10包括计算机系统4或至少经由通信网络5连接到计算机系统4。依赖于实施例，计算机系统4包括一个或多个操作计算机，其具有一个或多个可编程处理器和连接到（一个或多个）处理器的数据存储系统。如图1和4中由参考标记40示意性指示的，计算机系统4和控制器200构成控制系统，特别是计算机化的hvac控制系统。在图2的实施例中，hvac系统10及其一个或多个控制器200经由通信网络5连接到远程计算机系统4，例如经由互联网连接到hvac系统10的基于云的计算机系统。在图3的实施例中，计算机系统4是hvac系统10的一部分，并且经由诸如lan（局域网）或wlan（无线局域网）之类的通信网络5连接到hvac系统10的一个或多个控制器200。在图4的实施例中，计算机系统4是hvac系统10的一部分，并且控制器200是计算机系统4的部分，或者控制器200相应地构成计算机系统4。控制器200包括电子电路，例如可编程处理器、专用集成电路（asic）或另一逻辑单元。控制器200进一步包括通信模块，该通信模块被配置用于相应地与计算机系统4、温度传感器201、202、流量传感器203以及阀204或其致动器进行无线和/或有线数据通信，以控制流体流量。控制器200和计算机系统4被配置（编程）为施行稍后更详细描述的各种功能。依赖于实施例，通信网络5包括固定通信网络或总线和/或移动通信网络，例如wlan、gsm（移动通信的全球系统）、umts（通用移动电话系统）或其它移动无线电网络。
[0040]
控制器200被配置为响应于从建筑控制系统或用户终端接收的设定点来控制阀204的打开，所述设定点例如要传送到热能交换器1的次级侧3、具体地传送到次级侧上的流体（例如移动到房间中的空气）的热能（或功率）的设定点q
参考
。为了控制能量传送q的目的，控制器200基于并且依赖于所接收的设定点q
参考
，相应地为阀204或其致动器24生成控制信号，如将在下面更详细地描述的。
[0041]
在以下段落中，参考图5和6描述了相应地由控制系统40、计算机系统4和/或控制器200施行的可能的步骤序列，用于通过调整阀204的开口（即孔口）来调节通过热能交换器1的流体流量，以响应于所接收的热能传送设定点q
参考
，从而控制热能交换器1的能量传送q。
[0042]
如图6中由步骤s0示意性指示的，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）在持续基础上接收如由建筑控制系统、控制器或用户终端提交的设定点或相应命令；具体地是设定点q
参考
或要由热能交换器1传送的热能（或功率）的相应命令。本领域技术人员将理解，作为对控制能量传送的替代方案，在不偏离本发明范围的情况下可以对应地控制相应的功率传送。
[0043]
如图5中所图示的，在步骤s1中，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地记录一个或多个测量数据集。每个测量数据集包括针对特定时间点的测量时间；与热能交换器1相关的操作参数的测量值，具体地是通过热能交换器1的测量流体流量
实际
的值；在去往热能交换器1的供应管21中测量的流体的供应温度t
供应
值；以及在来自热能交换器1的返回管22中测量的流体的返回温度t
返回
值。依赖于操作的配置和/或模式，多个测量数据集
被记录并用于热能交换器1的离线批量处理和建模；多个测量数据集在设置的测量协议之后的在线校准阶段中被顺序地记录，所述设置的测量协议具有用于热能交换器1的对应处理和建模的定义的系统设置；或者测量数据集在常规操作期间在持续基础上被在线记录，而无需用于热能交换器1的继续处理和建模的设置的测量协议。
[0044]
如图5中所图示的，在步骤s11中，测量流体流量
实际
；在步骤s12中，测量供应温度t
供应
；以及在步骤s13中，测量返回温度t
返回
。依赖于实施例或配置，由计算机系统4或控制器200从传感器（例如从温度传感器201、温度传感器202和流量传感器203）读取测量数据集，或者通过传感器将它们报告给计算机系统4或控制器200来针对测量数据集确定操作参数的测量值。替代地，操作参数的测量值由控制器200收集，并且稍后报告给计算机系统4。
[0045]
在步骤s2中，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地确定流量依赖模型参数m，用于对热能交换器1进行建模，具体地用于对热能交换器1的性能进行建模。流量依赖模型参数m是基于记录的测量数据集确定的。如图6中所图示的，流量依赖模型参数m包括：延迟时间t
供应_延迟
，其与供应管21相关联，并且指示对于流体从第一温度传感器201移动到热能交换器1的入口11所花费的持续时间；延迟时间t
返回_延迟
，其与返回管22相关联，并且指示对于流体从热能交换器1的出口12移动到第二温度传感器202所花费的持续时间；热能交换器1的能量传送系数c
传送
；与热能交换器1的次级侧3相关联的次级温度t
次级
；热能交换器1的交换时间t
交换
，其指示热能交换器1在特定流量下替换其流体的总体积v含量的持续时间（t
交换 = v/
实际
）。要指出的是，该交换时间t
交换 = v/
实际
是热能交换器1的热时间常数的近似值，其指示热能交换器1在特定流量下替换其热含量的持续时间。一旦确定，流量依赖模型参数m包括或定义对于以下各项的相应值的不同的流量值：与供应管21相关联的延迟时间t
供应_延迟
、与返回管22相关联的延迟时间t
返回_延迟
、热能交换器1的能量传送系数c
传送
；与热能交换器1的次级侧3相关联的次级温度t
次级
；以及热能交换器1的交换时间t
交换
。在实施例中，流量依赖模型参数m被存储在分配给相应流量值的（查找）表中，这使依赖于当前的流体流量
实际
来检索模型参数m的值成为可能。
[0046]
在其中供应管21的直径d1或至少第一温度传感器201与热能交换器1的入口11之间的距离d1已知的实施例中，基于所述距离d1和直径d1来定义与供应管21相关联的延迟时间t
供应_延迟
的初始值。同样，在其中返回管22的直径d2或至少在热能交换器1的出口12与第二温度传感器202之间的距离d2已知的实施例中，基于所述距离d2和直径d2来定义与返回管22相关联的延迟时间t
返回_延迟
的初始值。反之亦然，如果供应管21的直径d1和/或返回管22的直径d2（或阀204的对应大小）已知，则第一温度传感器201与热能交换器1的入口11之间或热能交换器1的出口12与第二温度传感器202之间的距离d1和d2可以相应地从与供应管21相关联的延迟时间t
供应_延迟
或与返回管22相关联的延迟时间t
返回_延迟
的导出值来相应地估计。
[0047]
如图1中所图示的，对热能交换器1或其性能进行建模相应地考虑了来自能量运输q
运输
的能量，该能量运输q
运输
的能量表示在热能交换器1中从流过热能交换器1的流体提取的能量，一部分作为能量含量q
含量
存储在热能交换器1中。因此，从热能交换器1到其次级侧3的实际能量传送q（q
估计
）被计算为能量运输q
运输
和能量含量q
含量
的差：（1）。
[0048]
在热能交换器1中从流体提取的能量运输q
运输
依赖于实际流量
实际
、在热能交换器1
的入口11处的输入温度t
输入
以及在热能交换器1的出口12处的出口温度t
输出
，c
p
是流体的比热常数，并且p是流体的密度：（2）。
[0049]
输入温度t
输入
由在供应管21中测量的供应温度t
供应
和流体从第一温度传感器201移动到热能交换器1的入口11的延迟时间t
供应_延迟
来定义，由此t
输入
的值对应于先前利用延迟时间t
供应_延迟
的延迟测量的供应温度t
供应
的值： （2.1）。
[0050]
输出温度t
输出
由在返回管22中测量的返回温度t
返回
和流体从热能交换器1的出口12移动到第二温度传感器202的延迟时间t
返回_延迟
来定义，由此返回温度t
返回
的测量值对应于在过去的时间t=t-t
返回_延迟
时输出温度t
输出
的先前值：（2.2）。
[0051]
存储在热能交换器1中的能量含量q
含量
由热能交换器1的体积v（含量）和热能交换器1的初级温度t
初级
来定义，c
p
是流体的比热常数，并且p是流体的密度：（3）。
[0052]
热能交换器1的初级温度t
初级
被计算为来自热能交换器1的输入温度t
输入
和出口温度t
输出
的平均值：（3.1）。
[0053]
热能交换器1的体积v（含量）由热能交换器1的交换时间t
交换
和实际流量
实际
来定义：（3.2）。
[0054]
从热能交换器1到其次级侧3的能量传送q（q
估计
）由热能交换器1的初级温度t
初级
、热能交换器1的次级温度t
次级
和热能交换器1的能量传送系数c
传送
来定义：（4）。
[0055]
使用关系式（1）-（4），控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地根据具有测量的操作参数（包括流量
实际
、供应温度t
供应
和返回温度t
返回
）的记录的数据集来确定流量依赖模型参数m，所述流量依赖模型参数m包括供应延迟时间t
供应_延迟
、返回延迟时间t
返回_延迟
、能量传送系数c
传送
、次级温度t
次级
和交换时间t
交换
。使用具有测量的操作参数的多个数据集，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地为关系式（1）-（4）定义方程集，以用于确定流量依赖模型参数m。具体地，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地使用流量依赖模型参数m的初始估计值来确定返回温度t
返回_估计
的估计值，并且通过应用优化函数来最小化在估计返回温度t
返回_估计
与实际测量返回温度t
返回
之间的误差（例如均方误差mse）或差（例如均方差msd）。
[0056]
根据用于在离线批量处理、在线校准阶段中和/或在持续基础上记录测量数据集和确定模型参数m的配置和/或模式，在步骤s3中，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地使用（当前）模型参数m来计算能量传送q
估计
的估计值。
[0057]
在步骤s4中，控制器200基于要传送的热能（或功率）的设定点q
参考
和能量传送q
估计
的当前估计值的比较来确定目标流量
参考
。
[0058]
在步骤s5中，控制器200通过调整阀204的开口（即孔口）以基于所确定的目标流量和当前测量的实际流量
实际
的比较来调节通过热能交换器1的流体流量，从而控制通过热能交换器1的流量。
[0059]
如示意性指示的，在步骤s6中，控制系统40（即计算机系统4或控制器200）相应地在步骤s1或步骤s3中继续处理。如由步骤s6”所描绘的，在利用继续记录测量数据集的在线操作模式中，通过施行用于确定模型参数m的框b1的步骤s1和s2来在步骤s1中继续处理；而在离线批量处理或在线校准阶段模式中，通过施行用于控制能量传送的框b2的步骤s3和s4来在步骤s3中继续处理。本领域技术人员将理解，用于确定模型参数m的框b1可以周期性地、根据请求和/或依赖于定义的系统准则来执行。
[0060]
应当注意的是，在说明书中，已经以特定的次序呈现步骤序列，然而，本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以更改至少一些步骤的次序。

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