生成并实现建筑物的热力学模型的制作方法

生成并实现建筑物的热力学模型的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本PCT申请要求提交于2013年4月19日的美国非临时申请第13/866,602号的优先 权，其全部通过引用并入用于各种目的。
技术领域
[0003] 本专利说明书设及用于控制采暖、通风W及空调化VAC)系统的系统、装置、方法W 及相关的计算机程序产品。更特别地，本专利说明书设及用于在HVAC系统的管理中生成并 实现控制建筑物的热环境的该建筑物的热力学模型。
【背景技术】
[0004] 为管理诸如住宅或者商业大厦的建筑物的热环境，通常使用一个或多个HVAC控制 系统。HVAC控制系统需要作出关于如何适当处置围界的决定，其可能包括改变内部热度、湿 度或者其他环境特性。由于围界具有需要被加热或冷却的相关热质量，因此如何W及何时 执行加热或者冷却能够显著影响能量效率W及流程的成本。
[0005] 按照惯例，基于诸如建筑物尺寸、在建筑物中所包括的窗户的数目和特性等多种 因素，来创建试图指定建筑物在HVAC系统的影响下将如何表现的模型。然后使用该模型来 指定待安装的HVAC系统的类型和尺寸，并且/或者该模型在建筑的整个使用期中由HVAC控 制系统所使用。例如，美国专利第7,072,727号论述了用于确定建筑的热损失W及用于正确 为建筑制定HVAC装备的尺寸的方法。
[0006] 还已知在安装之后通过简单计算来进行模型升级，诸如添加热量W及测量时间和 溫度。例如，美国专利第5,555,927号论述了回调恒溫器的适应恢复方法，该方法用于使用 空间溫度与恢复溫度倾斜线的交点，所述恢复溫度倾斜线近似在溫控空间从回调溫度恢复 期间、溫度依据时间的变化，W确定恢复到居住溫度应当开始的时间。重新计算并且升级恢 复线的斜率。
[0007] 美国专利申请公布第2005/0192915号论述了用于预报建筑的预测热负荷的系统， 该系统包括基于神经网络的热负荷预测器。能够使用建筑数据、居住数据和实际的气象状 况来训练神经网络。热状态预报器使用基于针对具体场合(locale)预报的高溫和低溫W及 紧接在预测之前作出的测出的地区溫度和湿度观测的简单回归模型。
[000引虽然运些系统已经发展了基于建筑物的热动力学模型的HVAC控制的技术领域，但 仍有巨大空间来提高热动力学模型在表征建筑物的热环境由于相关HVAC系统的启动随时 间的变化上的准确性。

【发明内容】

[0009]公开用于生成与HVAC系统相关联的建筑物的热动力学模型的各种方法。根据一个 实施例，用于生成热动力学模型的方法包括多种操作。运些操作包括:接收对建筑物的热动 力学模型的请求，该热动力学模型响应于HVAC启动状态的应用来预测建筑物的室内溫度轨 迹;获取期间所述HVAC系统控制所述建筑物的热环境的时间段内的时间信息、溫度信息W 及HVAC启动状态信息；W及确定对应于相应的多个预定基函数的多个权重因子，所述基函 数的加权组合响应于所述HVAC启动状态的变化表征所述建筑物的室内溫度轨迹，所述基函 数包括惯性遗留分量，所述惯性遗留分量表征紧接在启动状态变化之前发生的室内溫度变 化率的遗留。所述操作可W进一步包括:响应于所述请求，返回包括所确定的对应于所述相 应的多个预定基函数的多个权重因子的热动力学模型。
[0010] 在一些实施例中，所述基函数可W包括多种函数中的一个或多个，诸如室外溫度 与室内溫度的差异、建筑物溫度与室内溫度的差异、一日内时间的表示、代表不受环境因子 影响的能量变化的常数、和/或表征当前阶段对所述建筑物的所述室内溫度轨迹具有的效 应的当前阶段效应分量。
[0011] 本文还公开多种恒溫器。根据一些实施例，公开一种用于控制智能住家环境中的 HVAC系统的操作的智能联网恒溫器。所述恒溫器可W包括多种组件。例如，所述恒溫器可W 包括能够操作W启动所述HVAC系统的一个或多个元件的HVAC控制电路、W及用于测量所述 智能住家环境的特性的一个或多个传感器。所述恒溫器还可W包括禪合至所述HVAC控制电 路W及所述一个或多个传感器的处理器，其能够操作W使得所述恒溫器执行多种操作。运 些操作可W包括:例如，接收对响应于HVAC启动状态的应用而预测建筑物的室内溫度轨迹 的所述建筑物的热动力学模型的请求;获取期间所述HVAC系统控制所述建筑物的热环境的 时间段内的时间信息、溫度信息W及HVAC启动状态信息；W及确定对应于相应的多个预定 基函数的多个权重因子，所述基函数的加权组合响应于所述HVAC启动状态的变化表征所述 建筑物的室内溫度轨迹，所述基函数包括表征紧接在启动状态变化之前发生的室内溫度变 化率的遗留的惯性遗留分量。运些操作可W进一步包括:响应于所述请求，返回热动力学模 型，该热动力学模型包括所确定的对应于所述相应的多个预定基函数的多个权重因子。
[0012] 在一些实施例中，所述多个权重因子可W除外部提供的天气预报W及外部提供的 时钟信号之外仅使用所述恒溫器本地可得的信息被确定。在一些实施例中，所述HVAC启动 状态包括相对高的能量消耗的第一状态W及相对低的能量消耗的第二状态。在一些实施例 中，每一基函数可W表征所述室内溫度轨迹的一部分。
[0013] 本文还公开计算机可读存储介质。根据一些实施例，公开一种有形的非暂时性计 算机可读存储介质，包括当由计算机处理器所执行时使得所述计算机处理器执行操作的指 令。运些操作可W包括:接收对响应于HVAC启动状态的应用而预测建筑物的室内溫度轨迹 的所述建筑物的热动力学模型的请求;获取期间所述HVAC系统控制所述建筑物的热环境的 时间段内的时间信息、溫度信息W及HVAC启动状态信息；W及确定对应于相应的多个预定 基函数的多个权重因子，所述基函数的加权组合响应于所述HVAC启动状态的变化表征所述 建筑物的室内溫度轨迹，所述基函数包括表征紧接在启动状态变化之前发生的室内溫度变 化率的遗留的惯性遗留分量。运些操作可W进一步包括:响应于所述请求，返回包括所确定 的对应于所述相应的多个预定基函数的多个权重因子的热动力学模型。
[0014] 在一些实施例中，所述对热动力学模型的请求可W指示对返回的热动力学模型期 望的特异性水平，并且所述指令可W使得所述计算机处理器执行附加操作。运些附加操作 可W包括在多个现有模型中捜索足W满足所述对热动力学模型的请求的一个或多个候选 模型。当所述捜索未能定位任何候选模型时，新模型可W被生成并且响应于所述请求而被 返回。当捜索仅定位一个候选模型时，所定位的模型可w响应于所述请求而被返回。当所述 捜索定位多个候选模型时，所述多个候选模型中的限制性最大(most restrictive)模型可 W响应于所述请求而被返回。
[0015] 为了更全面地理解本发明的实施例的本质和优势，应参考随后的详细说明和附 图。本发明的其他方面、目的和优势从下文的附图W及详细说明将显而易见。然而，本发明 的范围则完全从权利要求书的叙述而显现。
【附图说明】
[0016] 图1A图示根据实施例的能够被包括于智能联网设备中的通用设备组件的示例，其 可W被用于实现本文所述的热动力学行为预测过程的一个或多个。
[0017] 图1B图示根据实施例的、具有可更换模块W及扩展站W便利安装、配置和升级的 智能联网设备。
[0018] 图2图示根据实施例的智能住家环境的示例，在其内能够应用进一步在下文中所 述的设备、方法、系统、服务和/或计算机程序产品中的一个或多个。
[0019] 图3图示根据实施例的可扩展设备W及服务平台的网络层视图，图1和/或2的智能 住家能够与其集成。
[0020] 图4图示根据实施例的图3的可扩展设备W及服务平台的抽象功能视图。
[0021 ]图5图示根据实施例的专用计算机系统的框图。
[0022]图6图示根据实施例的实现热动力学行为建模的HVAC控制系统的组件。
[002；3]图7图示根据实施例的g(tWKie)的示例。
[0024] 图8图示根据实施例的热动力学模型生成器。
[0025] 图9图示根据实施例的用于确定建筑物对相关HVAC系统的启动状态中的可能变化 的预期环境响应的过程的通信序列。
[0026] 图10图示根据实施例的用于确定适当的热动力模型的过程。
[0027] 图11图示根据另一实施例的用于确定适当的热动力模型的过程。
【具体实施方式】
[0028] 在本文中所述的各种方法、装置、系统W及计算机可读介质设及建筑物的热动力 学行为建模的领域。在许多现代系统中，包括诸如包括管理建筑物中的环境特性的HVAC系 统的系统，期望预测建筑物的热动力学行为。运种预测可W具有多种切实可行的有益使用。 在现代的HVAC控制系统中，运种预测可W被日常用于准确启动HVAC系统达到或者保持期望 的设定点溫度。运种预测还可W被周期性使用，诸如在需求响应化R)事件期间，W更准确地 识别使从DR事件期向DR事件期之外的时期所转移的能源量最大化的设定点溫度的排程，或 者在某种附加或者替选意义上最优的排程。
[0029] 不论实现热动力学行为的预测的具体应用如何，在许多实施例中通过使用建筑物 的热动力学模型便利运种预测。热动力学模型本身可W由一个或多个基函数来定义，其响 应于诸如HVAC启动状态变化的、刺激的应用来表征诸如室内溫度的、与建筑物相关联的环 境状况的轨迹。在生成模型时，用于每一基函数的权重因子可W针对指示由HVAC启动状态 的过去变化所导致的过去环境状况轨迹的数据历史进行拟合。一旦模型已被生成，其便可 w随即被使用于仿真建筑物的热动力学行为。
[0030] 应认识的是，术语"热动力学"可W包括能够被使用于表征物理系统的所有状态变 量。热动力学变量的示例包括但不限于:压力、溫度、气流、湿度W及微粒物质。另外，术语 "模型"一般是指系统的说明或者表示。说明或者表示能够使用数学语言，诸如在数学模型 的情况下。模型的类型和/或模型的特性的示例包括但不限制于:查找表、线性、非线性、确 定性、概率性、静态、动态W及具有集中参数和/或分布参数的模型。
[0031] 现转至附图，图1A图示根据实施例的能够被包括于可W被用于实现本文所述的热 动力学行为预测过程中的一个或多个的、智能联网设备100 (即"设备"）中的通用设备组件 的示例。在设备的系统内的一个、多个或全部设备100的每一设备能够包括一个或多个传感 器102、用户界面组件104、电源（例如包括电源连接件106和/或电池108 )、通信组件110、模 块化单元(例如包括扩展站112W及可更换模块114) W及智能组件116。特定的传感器102、 用户界面组件104、电源配置、通信组件110、模块化单元和/或智能组件116能够在设备100 之间相同或相似，或者能够基于设备类型或型号变化。
[0032] 本文所述的传感器102-般包括测量和/或记录物质、物理现象和/或物理量的设 备或系统。传感器可W将测量转换成能够由观测者、仪器和/或系统所解释的信号。传感器 可W被实现为专用设备并且/或者能够被实现为在通用计算机系统上运行的软件。通过示 例方式并不通过限制方式，设备100中的一个或多个传感器102可W能够，例如检测加速度、 溫度、湿度、水分、供电、接近、外部运动、设备运动、声音信号、超声波信号、光信号、火、烟 雾、一氧化碳、全球定位卫星(GPS)信号、或者射频(RF)或其他电磁信号或场。因此，例如，传 感器102能够包括溫度传感器、湿度传感器、危险相关传感器或者其他环境传感器、加速计、 麦克风、光学传感器乃至包括相机(例如电荷禪合器件或者摄影机）、有源或无源福射传感 器、GPS接收器或者射频识别检测器。虽然图1A图示带有单一传感器的实施例，但许多实施 例会包括多个传感器。在一些情况下，设备100包括一个或多个主传感器W及一个或多个辅 传感器。主传感器能够感测设备的核屯、操作支配性的数据(例如在恒溫器中感测溫度或者 在烟雾探测器中感测烟雾）。辅传感器能够感测其他类型的数据（例如运动、光线或者声 音），其能够被用于能量节约目的或者智能操作目的。在一些情况下，普通用户甚至可能没 有察觉到辅传感器的存在。
[0033] 设备100中的一个或多个用户界面组件104可W被配置成经由视觉显示器(例如薄 膜晶体管显示器或者有机发光二极管显示器)和/或音频扬声器和/或一些其他通信介质向 用户呈现信息。用户界面组件104还能够包括用于从用户接收信息的一个或多个用户输入 组件，诸如触摸屏、按键、滚动组件(例如可移动或者虚拟环组件）、麦克风或者相机(例如用 于检测手势）。在一个实施例中，用户输入组件104包括点击旋转式环状振铃组件，其中用户 能够通过旋转按铃(例如用W调整设置)和/或通过向内点击按铃(例如用W选择所调整的 设置或者用W选择选项)而与组件交互。在另一实施例中，用户输入组件104包括相机，W便 能够检测手势(例如用W指示设备的电源或者警报状态将会被更改）。
[0034] 设备100中的供电组件可W包括电源连接件106和/或本地电池108。例如，电源连 接件106能够将设备100连接至诸如线电压源的电源。在一些情况下，到交流电源的连接件 106能够被用于反复充电（可再充电的）本地电池108, W便电池108能够W后在如果发生交 流电源断开或者其他电力不足的情景时需要则被用于供电。
[0035] 设备100中的通信组件110能够包括使设备100能够与中央服务器或远程服务器、 诸如本文所述的另一设备或者便携式用户设备通信的组件。通过非限制示例，通信组件110 能够允许设备100经由诸如Wi-Fi、Zi浊ee、3G/4G无线、CAT6有线W太网、HomePlug或者其他 电力线通信方法、电话或者光纤来通信。通信组件110能够包括无线网卡、W太网插头或者 其他收发器连接件。在一些实施例中，通信组件110便利与中央服务器的通信，W在设备 100、中央服务器与一些情况下的附加设备之间同步信息。用于在运些设备之间同步数据的 技术进一步在于2012年9月22日提交的、共同转让的序列号13/624,892(参考号:肥S0231-US)的美国申请中描述，其内容全部通过引用并入本文中用于所有目的。
[0036] 设备100中的模块化单元能够包括静态物理连接件W及可更换模块114。因此，模 块化单元能够提供升级可更换模块114的能力，而无需完全重新安装设备100(例如用W保 持布线）。静态物理连接件能够包括能够附连至建筑结构的扩展站112(其还可W被称为接 口盒）。例如，扩展站312能够经由螺丝被安附连至墙壁或者经由粘合剂粘连至天花板上。扩 展站112在一些情况下能够延伸通过建筑结构的一部分。例如，扩展站112能够经由穿过墙 壁石膏板所制的孔眼连接至墙壁后的接线（例如连接至120V线电压线）。扩展站112能够包 括诸如电源连接电路306和/或交流至直流的供电电路的电路，并且能防止用户被暴露于高 压线。扩展站112可W此外或者替选地包括用于启动（即开启和关闭）诸如供暖单元（用于供 暖建筑结构）、空调单元（用于冷却建筑结构）和/或通风单元（用于在整个建筑结构中循环 空气）的HVAC系统的元件的控制电路。在一些情况下，扩展站112专用于设备的类型或型号， 从而例如恒溫器设备包括不同于烟雾检测器设备的扩展站。在一些情况下，扩展站112能够 在设备300的多种类型和/或型号之间被共享。
[0037] 模块化单元的可更换模块114能够包括设备的一些或全部传感器102、处理器、用 户界面组件104、电池108、通信组件110、智能组件116W及诸如此类。可更换模块114能够被 配置成附连至（例如插入或者连接至)扩展站112。在一些情况下，一组可更换模块114被制 成具有在可更换模块114之间各不相同的性能、硬件和/或软件。用户由此能够轻松升级或 者更换其可更换模块114,而不必更换全部设备组件或者完全重新安装设备100。例如，用户 能够开始于包括智能和软件性能有限的第一可更换模块的廉价设备。用户然后能够轻松将 设备升级成包括更强能力的可更换模块。作为另一示例，如果用户具有在其地下室的型号# 1设备、在其起居室的型号#2设备并且将其起居室设备升级成包括型号#3可更换模块，则用 户能够将型号#2可更换模块移入地下室W连接至现有的扩展站。型号#2可