用于自适应地控制蓄热型加热器的计费时间的系统和方法

摘要

提供了一种用于自适应地控制蓄热型加热器的计费时间的方法，该方法包括：确定加热器的储蓄能量需要；确定加热器的背景热需要；基于储蓄能量需要和背景热需要来确定每日能量需要(DER)；以及在预定时间处确定每日运行时间(DRT)，以基于每日能量需要(DER)来计算用于随后时间段的计费时间。

说明书

技术领域

本申请涉及蓄热型加热器，并且具体地涉及确定蓄热型加热器的计费需要。

背景技术

蓄热型加热器是众所周知的电加热源。传统上，蓄热型加热器按照下述原理工作：可以在一天的特定时段期间向加热器提供能量，并且所供应的能量可以在不同的时间段期间从加热器释放。图1示出了蓄热型加热器100的示例。如图1的示例所示，蓄热型加热器100包括形式为砖或其他材料如陶瓷的可加热材料120，可加热材料120位于蓄热型加热器100的壳体100内。然后使用电气元件110对可加热材料120进行加热，以增加可加热材料的温度。然后，通过热辐射和对流两种方式的过程连续释放所储蓄的热量。可以通过使用风门和/或与机械风扇相结合来增加热传递的速度。蓄热型加热器100被设计成释放热量，并且通常具有不超过20％的保温性。应当理解，工业标准将蓄热型加热器定义为具有这样的保温率。

传统上，蓄热型加热器的使用在电网运营商提供双电价电表的区域中是普遍的。这使得蓄热型加热器的加热能够在低成本电力期间起作用——例如在夜间当网络上的总负荷小于峰值时间时。在这种非高峰期期间，蓄热型加热器的加热必须足以使加热器能够在加热之间的间隔期间向其所在的区域提供连续加热。通常这些间隔可以长达12小时。在通常的已知运行模式中，从蓄热型加热器输出的热量采用如图2所示的曲线，该曲线与用户对热的需求并不匹配。由于在连续过程中从蓄热型加热器输出热量，所以蓄热型加热器具有一个峰值输出——如图2的示例所示，在大约早上09:00发生。之后，蓄热型加热器提供热量的能力降低，其结果是当用户在一天中稍后的时间里需要额外的热量时，加热器不一定具有提供这些热量的能力。

为了补偿这种差异，许多加热器制造商提供了用于在其加热器中储蓄热量的附加能力。以这种方式，蓄热型加热器的电势输出被设计为大于实际所需。这通常通过将蓄热材料加热至700℃量级的温度来实现。虽然这使得能够在晚上稍后的时间里具有额外的加热能力，但是这并未改变输出曲线，其结果是在一天的早期部分也提供额外的热量。这可能导致提供过多的热量。这可导致房间被过度加热以及热量的浪费。

应当理解，在常规蓄热型加热器的能量输入与热量输出之间存在直接关系，这意味着用户对热量输出的控制非常有限，通常不超过总热量输出的15％。这使得加热器相对地不响应于变化的天气状况和用户所需。

这些问题中的许多在GB2384300中讨论过，在GB2384300中，本发明人是署名的发明人。该专利描述了传统蓄热型加热器的运行可以如何由辅助热源进行补充，辅助热源例如可以用于补充主热源——蓄热材料——的输出的辐射元件。

发明内容

本教示提供了一种基于使用历史数据的自适应控制算法来确定蓄热型加热器所需的计费时间的方法。因此，本申请的第一实施方式提供了如权利要求1中详述的方法。在从属权利要求中提供了有利的实施方式。

附图说明

现在将参照附图来描述本申请，在附图中：

图1示出了蓄热型加热器的示例；

图2是蓄热型加热器的室内温度对时间的曲线图；

图3是示出了根据本教示的实施方式的计费控制算法的示例的流程图；

图4是用于获得加热需求的查找表；

图5是用于计算季节带的查找表；

图6是用于计算季节带调节的查找表；

图7是用于计算实际持续损耗的查找表；

图8是示出了核心传感器温度、砖温度与剩余能量之间的关系的查找表；

图9是示出了核心传感器温度与砖温度之间的关系的曲线图；以及

图10示出了计算运行时间调节的示例。

具体实施方式

本教示提供了一种用于根据与蓄热型加热器所位于的房间或内部空间的能量需要相关的某些参数来自适应地控制蓄热型加热器的计费时间的方法。

蓄热型加热器通常具有两种控制：用于控制储蓄的热的总量的计费控制(通常称为“输入”)，以及用于控制释放热量的速率的通风控制(通常称为“输出”)。这些控制可以由用户控制，或者当用户在恒温器上选择目标室内温度时可以自动运行。上述这种蓄热型加热器可以配备有用于显示蓄热型加热器的各种特性(如输入和输出设置)的显示面板。

根据本教示，提供了一种控制器，该控制器被配置成动态地修改蓄热型加热器的热量吸收和输出。控制器可以监测下述中的一个或更多个以确定加热器的未来供电需要：历史数据、房间的热损耗率、房间的热特性和设备的实际运行使用。这提供了动态核心温度装置来提供最佳的能量储蓄，并且使最大运行核心温度最小化。这使得在非加热期间的静态损耗和总能量消耗最小化。

在一种配置中，控制器被配置成使得用户能够为使用设备的房间在规定时间内选择期望的温度。设备将基于这些选定的参数来提供输出。通过监视设备如何处理实际使用，设备可以动态地修改其供电需要以确保这种使用模式便利。

本教示涉及蓄热型加热器的计费控制。本发明人已经认识到，可以根据诸如外部温度、加热器的持续损耗以及在一天中的某个时间处在蓄热型加热器中余留的剩余能量的因素来自适应地控制蓄热型加热器的计费。因此，在一般术语中，自适应控制将被理解为以下原理中的一个或更多个可以用于计算加热器的适当的计费控制方案：

●基于实际加热器性能进行自适应；

●基于风扇运行时间进行自适应；

●基于升压元件使用进行自适应；

●基于加热需要进行自适应；·

●非高峰供应分布图(profile)；

●剩余能量。

应当理解，任何一个自适应方案的细节可以变化，并且为了便于理解，现在将参照基于实际加热器的自适应来描述示例性方法。

在这样的实施方式中，根据本教示的用于自适应地控制房间或空间中的蓄热型加热器的计费时间的方法被描述如下。形式为计费控制算法的方法可以每天在预定时间运行，以计算下一天的加热需求。例如，该方法可以在夜间例如在00:00执行。执行该方法的时间使得能够在下一天之前并且根据历史数据对蓄热型加热器进行计费。

该方法包括至少下述步骤：确定加热器的储蓄能量需要；确定加热器的背景热需要；基于储蓄能量需要和背景热需要来确定每日能量需要(DER)；以及在预定时间处确定每日运行时间(DRT)，以基于每日能量需要(DER)来计算随后时间段的计费时间。在本教示的上下文中将理解的是，每日运行时间(DRT)是指蓄热型加热器的计费时间。这些步骤期望在每个加热周期之前被执行。

图3是示出了根据本教示的实施方式的计费控制方法300的示例的流程图。

参照图3，根据本教示的方法300包括：读取用于加热器的编程的加热小时数(步骤310)。这些通常是用户可以经由设置在蓄热型加热器上的用户接口来配置的。该加热小时数将影响加热器用于下一个加热时间段所需的加热能力。除了该参数之外，该方法还接收室内温度设定点作为输入(步骤320)，室内温度设定点也可以是用户可以经由用户界面来配置的。基于一年中的时间，该方法还提供对季节带和偏移量的计算(步骤330)。该参数的使用是基于对不同季节具有不同加热需求的理解，并且这可能与加热器的性能要求有关系。前面列出的参数涉及用于未来加热时间段的预期加热需要。

除了使用对预期加热需要的预测之外，根据本教示提供的方法还利用历史数据。在一个方面中，这采用反映在该时间点处加热器的实际状况的多个参数。这可以包括下述中的一个或更多个：计算储蓄能量需要(步骤340)；计算实际持续损耗(Kw)(步骤350)。

使用这些预测和实际条件，该方法然后可以执行多个计算，包括：计算背景热需要(kWh)(步骤360)；计算每日能量需求(DER)(kWh)(步骤370)；在前一天结束时计算剩余能量(kWh)(步骤380)；以及计算每日运行时间(DRT)小时参数(步骤390)。该DRT小时参数可以根据如下关系来计算：(每日能量需要(kWh)-剩余能量(kWh))/加热器的额定输入功率(kw)+用于自适应偏移舒适度的运行时间调节+在UI上设置的附加的额外计费运行时间。

储蓄能量需求是编程的加热小时数和每小时的加热需求的函数。因此，可以通过将编程的加热小时数乘以加热需求来计算储蓄能量需要。可以在蓄热型加热器的用户界面上设置编程的加热小时数。编程的加热小时数可以基于用户想要在蓄热型加热器所处的室内或空间中花费的时间量。如上面所提及的，还读取用户在用户界面上设置的室内温度设定点。室内温度设定点通常在17℃与25℃之间。可以从基于蓄热型加热器的型号参考、季节带、外部温度和室内温度设定点的查找表获得每小时的加热需求。图4中示出了这样的查找表的示例。每种加热器型号可以具有不同的查找表。加热器蓄热型加热器的型号参考可以从多种型号的蓄热型加热器中选择，并且根据安装在室内或空间中的蓄热型加热器的型号来选择。

季节带可以按如下来计算。查找表可以用于计算季节带和季节带偏移。参照图5，季节带可以被设置成从冬季月份到夏季月份不等的1和7之间的值。可以根据室内或空间中的每小时室温最大变化速率来设置季节带。可以在一天中的两个或更多个小时的时间段内测量每小时室温变化速率。计算季节带未考虑蓄热型加热器风扇正在运转或核心正在计费期间的室内温度的变化率。在一天的预定时刻例如00:00处，从所收集的数据中选择室内温度的最大变化率。例如，每小时室内温度最大变化速率在0与0.1之间可以对应于指示五月、六月、七月或八月的季节带7。也就是说，在这些夏季月份中，在蓄热型加热器不活动的时间段中，室内温度将存在相对小的变化。每小时室内温度最大变化速率为-1.5可以对应于指示二月的季节带1。

可以在实现算法的预定时刻例如午夜或00:00处基于设定点与实际室内温度之间的差来调节季节带。这被称为季节带偏移。该差通常是设定点减去实际室内温度。可以使用蓄热型加热器所在的室内或空间中的温度传感器来测量实际室内温度。季节带调节可能在一天的预定时刻处例如在00:00处受到影响。季节带的这种调节构成季节带偏移。

将理解的是，在没有足够的信息以使得能够计算季节带调节的情况下，控制器可以被配置成使用系统内可用的实际日期值并且计算针对该日期的适当季节带。

图6示出了用于计算季节带偏移或调节的查找表的示例。取决于设定点与实际室内温度之间的差，可以在-3与2之间调节季节带。例如，如果设定点与实际室内温度之间的差大于或等于3，则季节带调节可以是-3。然而，如果设定点与实际室内温度之间的差仅为1，则季节带调节可以是0。然而，最小季节带可以被限制成1，而最大季节带可以被限制成7。也就是说，当考虑到进行调节时，季节带的下限为1，而季节带的上限为7。例如，如果基于每小时室内温度最大变化速率来确定季节带为2并且在给出季节带调节为-3的情况下设定点与实际室内温度之间的差被测量为3，则季节带将被调节成最小值1。

背景热需要是一天中除了编程的加热小时数之外的剩余时间和蓄热型加热器的实际持续损耗的函数。实际的持续损耗是指在蓄热型加热器不活动的情况下向环境的热量损耗。例如，持续损耗可能发生在蓄热型加热器的风扇不活动的时间段期间。实际的持续损耗是季节带的函数。图7示出了用于计算实际的持续损耗的查找表的示例。参照图7，实际的持续损耗取决于加热器型号和季节带。可以使用以下等式来计算背景热需要：

背景热需要(kWh)＝(24-编程的加热小时数)×加热器的实际持续损耗(W)

每日能量需要(DER)是储蓄能量需要和背景热需要二者的函数。可以使用以下等式来计算DER。

每日能量需要(DER)(kWh)＝储蓄能量需要(Wh)+背景热需要(Wh)

每日运行时间(DRT)是每日能量需要(DER)的函数。DRT是指基于自适应控制蓄热型加热器需要被计费的小时数。根据以下公式来计算DRT小时：

每日运行时间(DRT)小时＝(每日能量需要(kWh)-剩余能量(kWh))/加热器的额定输入功率(kw)+用于自适应偏移舒适度的运行时间调节+附加的额外计费

可以在前一天结束时例如在执行算法的预定时刻处计算剩余能量。剩余能量是蓄热型加热器的核心温度的函数。图8是示出了核心传感器温度、砖温度和剩余能量之间的关系的查找表。图9是示出了核心传感器温度与砖温度之间的关系的曲线图。与蓄热型加热器的核心相关联的传感器可以指示具有砖或其他材料(例如位于蓄热型加热器的壳体内的陶瓷)的形式的可加热材料的温度。核心温度可以在如上面所提及的00:00处读取。剩余能量是可加热材料的温度的函数。如本领域技术人员将理解的，剩余能量还可以是可加热材料(例如砖)的质量和可加热材料的比热容的函数。每种加热器类型可以在可加热材料的质量方面具有不同的加热器尺寸。

每种加热器类型可以具有以Kw为单位的特定输入功率额定值，例如其范围在1.56KW和3.3KW之间。用于自适应偏移舒适度的运行时间调节是指可以纳入到每日运行时间(DRT)中的附加计费时间。运行时间调节可以基于前一天的历史来计算，并且在下次运行时间计算期间被添加至DRT。用于自适应偏移舒适度的运行时间调节可以按如下并且如图10所示的那样来计算。在晚间舒适时段(例如在17:00至00:00之间)期间，可以针对每小时来计算测量到的室内温度(来自传感器)与设定点(减去控制死区)之间的差。可以在加热器中的EEPROM中调节控制死区。在实施方式中，控制死区可以是0.2℃。仅当测量值小于设定点(减去控制死区)时才测量该差。将每小时的差累加以获得小时亏损摄氏度(HrC)。对于每个HrC亏损而言，可以添加计费时间。计费时间可以是例如每小时15分钟。例如，如果HrC亏损是2.1HrC，则运行时间调节可以是2.1×0.25＝0.525小时。因此，对于下一个DRT计算，将DRT加上0.525小时。在实施方式中，计费时间可以在加热器中的EEPROM中可编程。

图10中示出了计算运行时间调节的示例。参照图10，在时段17:00至00:00期间，室内温度亏损达2小时(22:00至23:00以及23:00至00:00)。在时段22:00至23:00，平均亏损为(20.8-19.8)*1/2＝0.5HrC。在时段22:00至23:00，平均亏损为(20.8-18.8)*1/2＝1HrC。因此，总亏损为1.5HrC。为了获得运行时间调节，将总亏损乘以每HrC的计费时间。也就是说，1.5HrC×0.25。因此，运行计时器调节为0.38小时或22.5分钟。

在另一实施方式中，DRT可以由在蓄热型加热器的用户界面上设置的附加额外的计费运行时间来补充。因此，总DRT可以按如下计算：

每日运行时间(DRT)小时＝(每日能量需要(Kwh)-剩余能量(Kwh))/加热器的额定输入功率(Kw)+用于自适应偏移舒适度的运行时间调节+附加的额外计费

本教示提供了一种用于在随后的时间段内自适应地控制蓄热型加热器的计费时间的方法。采用计费时间算法的方法可以在每24小时的预定时刻处运行。通过根据最新确定的历史数据(例如季节带、加热需求、设定点、编程的小时数、加热器的持续损耗、加热器中的剩余能量和其他因素)来控制蓄热型加热器的计费，可以计算更准确的计费时间，以满足下一天的加热需要。将要理解的是，当计算计费时间时，计费通常从关闭时间段的开始应用，这通常被称为前计费。替代地，可以实现后计费处理，由此延迟开始时间，以确保计算的计费时间在可用计费时间段的最后一小时内结束。

在参照典型地在夜间的单个计费时间段已经讨论了计费的情况下，将理解的是，根据本教示的系统和方法可以提供分开的计费时间段：例如，夜间时间段加上下午时间段和傍晚时间段。系统还可以适于允许例如由供电公司取决于其每日负载需求(例如风力预报、负载预报)来确定的动态计费时间段。

尽管参照基于实际的加热器性能的自适应控制描述了上述示例性实现方式，但将理解的是，动态控制中所使用的参数使用来自超出硬件细节的因素的输入。任何一个加热器的每日能量需要可以基于以下中的一个或更多个，其通常在由控制器访问和处理的一个或更多个模块中被实现：

基于风扇运行时间进行自适应

在加热器包括风扇的情况下，每日能量需要可以从许多输入中得到，许多输入中包括编程的加热小时数。这些是当需要选择的舒适温度时由用户限定的时间段。将理解的是，正常操作将通常需要使用风扇来实现该舒适温度。风扇运行的持续时间将影响加热器的热输出：增加时间将会提供来自加热器的热输出中对应增加。然而，在较温和的条件下可能的是，来自加热器的壳体的热量足以在一天的部分中实现舒适条件，并且风扇不运行那么多。因此，重要的是，将信息发送回到控制器，该信息指示在前一天期间存在多少风扇操作，从而给出在下一天风扇将运行多少的预测。如果控制器获悉风扇操作显著地减少，则控制器向下自适应所需要的计算的能量。

基于升压元件使用进行自适应

许多加热器包含升压元件以使得用户能够通过激活升压元件暂时地增大加热器的热输出。控制器可以被配置成在2天至3天的时间段内监测升压元件的使用，并且如果存在升压元件的重复广泛使用，则将自适应每日能量需要以增加储蓄的能量，从而减少对升压元件加热的需要。可能存在需要运行升压元件的许多原因，例如，不正确地设置加热需求或者不正确地设置用于室内的加热器尺寸。不管何种原因，过度使用升压元件将会对运行成本具有不利影响。因此，控制器向上调节计算的能量需求，以从非高峰率储蓄的能量提供更多的加热。

基于加热需要进行自适应

蓄热型加热器通常设置有使得用户控制加热时间段的持续时间和数量的设施，在该加热时间段内，加热器将在任何一个24小时时间段中是活动的。例如，如果用户被提供有设施以激活4个加热周期，则用户将经由用户界面来设置加热周期，从而每天选择多达4个加热周期。取决于这些加热周期何时发生，能量需要可以非常不同。例如，在一天中均匀分布的加热周期将与根据主要在夜间的长加热周期储蓄的所需能量不同。根据本教示的控制器可以在不同的加热分布图之间进行区分，并且相应地自适应计算的能量需要。

非高峰供应分布图

蓄热型加热器通常根据在被称为“非高峰”时间段期间对加热器计费的原理进行操作。这通常在夜间，此时电力网络上的负载处于其最低点，并且用户被鼓励通过不同的资费制度来使用该时间段。尽管最常见的非高峰供应分布图是在夜间期间的连续七个小时的时间段，但网络运营商可以提供或遇到其他分布图。这些分布图主要包括具有一天期间的一个或更多个附加时间段的较短的夜间时间段。这些“分开”的分布图可以有利于用户和能量供应商二者，但是仅在加热器可以有效地利用这些分离的分布图的情况下。根据本教示，控制器可以被配置成感测加热器的计费，并且将计费与特定时间相关联。以这种方式，控制器具有“学习”非高峰供应分布图并且自适应能量需要以适应分布图的能力。

剩余能量

为了优化任何加热器的加热，本教示提供了一种其中控制器在每天结束时监测储蓄的能量的水平的布置。该能量被称为剩余能量。控制器将自适应计算的能量需要以将剩余能量保持在最佳范围内。

外部温度分布图

在某些配置中，根据本教示提供的控制器可以使用实际的天气状况来优化加热器的加热方案。例如，当以通信模式被提供并且链接至广域网或其他外部传感器时，控制器可以接收实时天气数据并且使用实时天气数据来计算季节带。

因此，将理解的是，根据本教示的控制器可以使用一组或更多组参数来动态地修改蓄热型加热器的加热方案。在参照任何一个模块进行描述的情况下将理解的是，一个模块的各方面和元件可以与另一模块的各方面和元件组合使用或替代其使用。

在本说明书中被使用时，词语包括/包含用于指定阐述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、部件或其组合的存在或添加。