具有預測成本優化的hvac控制器的制造方法
【專利摘要】一種建筑物HVAC系統包括水側系統和空氣側系統。所述水側系統消耗來自公用事業提供者的一種或多種資源以生成加熱和/或激冷的流體。所述空氣側系統使用所述加熱和/或激冷的流體來加熱和/或冷卻提供至所述建筑物的供應空氣流。HVAC控制器執行一體化的空氣側/水側優化過程以同時確定所述水側系統和所述空氣側系統這兩者的控制輸出。所述優化過程包括優化預測成本模型，所述預測成本模型在一組優化約束條件下預測由所述HVAC系統消耗的所述資源的成本，所述一組優化約束條件包括所述建筑物的溫度約束條件。所述HVAC控制器使用所述確定的控制輸出來控制所述水側系統和所述空氣側系統的所述HVAC設備。
【專利說明】
具有預測成本優化的HVAC控制器
[0001] 相關專利申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2015年4月23日提交的美國專利申請號14/694,633的權益和優先 權，該申請的全部公開內容以引用方式并入本文中。
技術領域
[0003] 本發明整體涉及建筑物的采暖通風和空調(HVAC)系統。本發明更具體地涉及建筑 物HVAC系統的預測成本優化系統。
【背景技術】
[0004] -些建筑物的HVAC系統使用水側系統和空氣側系統兩者來為建筑物提供制熱或 制冷。水側系統消耗來自公用事業提供者的資源(例如，電力、天然氣、水等），以產生加熱或 激冷的流體。空氣側系統使用加熱或激冷的流體來對提供至建筑物的供應空氣流進行加熱 或冷卻。
[0005] 空氣側和水側優化的先前方案明確地單獨考慮空氣側和水側的優化問題。例如， 名稱為"高層級中央設施優化"的美國專利申請號14/634,609使用級聯方案進行中央設施 的優化。級聯方案首先執行空氣側優化，以預測建筑物的制熱和制冷負荷。預測的制熱和制 冷負荷接著作為固定參數提供至水側優化，其次執行水側優化以優化中央設施的性能。如 果空氣側系統不知道水側系統的能量儲存/生成能力，則初始的空氣側優化可能是次優的。 在不將顯著的復雜性引入到優化問題的情況下對空氣側系統和水側系統兩者的性能進行 優化是困難而有挑戰性的。
【發明內容】
[0006] 本公開的一個具體實施是建筑物的采暖通風或空調(HVAC)系統。HVAC系統包括水 側系統和空氣側系統。水側系統包括一套水側HVAC設備，所述水側HVAC設備消耗來自公用 事業提供者的一種或多種資源以產生加熱和/或激冷的流體。空氣側系統包括一套空氣側 HVAC設備，所述空氣側HVAC設備接收來自水側系統的加熱和/或激冷的流體，并且使用加熱 和/或激冷的流體來對提供至建筑物的供應空氣流進行加熱和/或冷卻。HVAC系統還包括 HVAC控制器，其接收來自水側系統和空氣側系統兩者的輸入。HVAC控制器執行一體化的空 氣側/水側優化過程以同時確定水側HVAC設備和空氣側HVAC設備兩者的控制輸出。執行一 體化的空氣側/水側優化過程包括優化預測成本模型，該模型在一組優化約束條件下預測 由水側系統消耗的所述一種或多種資源的成本。優化約束條件包括建筑物的溫度約束條 件。HVAC控制器將根據一體化的空氣側/水側優化過程確定的控制輸出提供至水側系統和 空氣側系統，以用于控制水側HVAC設備和空氣側HVAC設備。
[0007] 在一些實施例中，優化約束條件包括建筑物的溫度演化模型。溫度演化模型可以 將建筑物的溫度作為由水側系統提供至建筑物的一種或多種熱能資源的函數來進行預測。
[0008] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括使用單一優化來同時 確定建筑物滿足溫度約束條件所需的熱能資源的量和用于讓水側系統為建筑物生產所需 量的熱能資源的控制輸出兩者。
[0009] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括使用單一優化來同時 確定建筑物滿足溫度約束條件所需的熱能資源的量和為了允許水側系統為建筑物生產所 需量的熱能資源而必須從公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量這兩者。
[0010] 在一些實施例中，其中確定為了允許水側系統為建筑物生產所需量的熱能資源而 必須從公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量包括訪問水側HVAC設備的性能曲 線。性能曲線可以限定由水側HVAC設備生產的熱能資源和為了生產該熱能資源而必須由水 側HVAC設備消耗的一種或多種資源之間的關系。
[0011] 在一些實施例中，性能曲線為至少三維的，并且將由水側HVAC設備生產的熱能資 源的量限定為至少兩個輸入變量的函數。執行一體化的空氣側/水側優化過程可包括在每 個時間點為每臺設備獨立地調整所述至少兩個輸入變量以優化預測成本模型。
[0012] 在一些實施例中，水側HVAC設備包括激冷器。性能曲線可以將由激冷器生產的熱 能資源的量限定為在激冷器上的負荷和由激冷器生產的激冷的流體的溫度兩者的函數。
[0013] 在一些實施例中，HVAC控制器被配置成通過將非凸形性能曲線轉化為包括多個分 段的線性區段的凸形性能曲線而生成性能曲線。
[0014] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括確定控制輸出，所述控 制輸出在包括多個離散的時間步長的優化周期內優化預測成本模型。HVAC控制器可以被配 置成在一體化的空氣側/水側優化過程之后執行第二優化過程，以調整控制輸出，從而優化 資源消耗的瞬時速率。在一些實施例中，一體化的空氣側/水側優化過程使用水側HVAC設備 的線性規劃和線性化的性能曲線在優化周期內優化控制輸出。第二優化過程可以使用水側 HVAC設備的非線性規劃和非線性的性能曲線來針對線性化的性能曲線中的誤差進行調整。
[0015] 在一些實施例中，水側系統包括熱能存儲裝置，該熱能存儲裝置被配置成存儲由 水側HVAC設備生產的熱能資源以供后續使用。
[0016] 本公開的另一個具體實施是預測成本優化系統。預測成本優化系統被用來優化建 筑物HVAC系統，建筑物HVAC系統使用水側系統和空氣側系統兩者來對提供至建筑物的供應 空氣流進行加熱和/或冷卻。預測成本優化系統包括HVAC控制器，該控制器接收來自水側系 統和空氣側系統兩者的輸入。HVAC控制器執行一體化的空氣側/水側優化過程以同時確定 水側系統和空氣側系統兩者的控制輸出。執行一體化的空氣側/水側優化過程包括優化預 測成本模型，該模型在一組優化約束條件下預測由水側系統消耗的一種或多種資源的成 本。優化約束條件包括建筑物的溫度約束條件。HVAC控制器將根據一體化的空氣側/水側優 化過程確定的控制輸出提供至水側系統（以用于控制水側HVAC設備)和空氣側系統（以用于 控制空氣側HVAC設備)兩者。
[0017] 在一些實施例中，優化約束條件包括建筑物的溫度演化模型。溫度演化模型可以 將建筑物的溫度作為由水側系統提供至建筑物的一種或多種熱能資源的函數來進行預測。
[0018] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括使用單一優化來同時 確定建筑物滿足溫度約束條件所需的熱能資源的量和用于讓水側系統為建筑物生產所需 量的熱能資源的控制輸出這兩者。
[0019] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括使用單一優化來同時 確定建筑物滿足溫度約束條件所需的熱能資源的量和為了允許水側系統為建筑物生產所 需量的熱能資源而必須從公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量這兩者。
[0020] 在一些實施例中，確定為了允許水側系統為建筑物生產所需量的熱能資源而必須 從公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量包括訪問水側HVAC設備的性能曲線。性 能曲線限定了由水側HVAC設備生產的熱能資源和為了生產該熱能資源而必須由水側HVAC 設備消耗的一種或多種資源之間的關系。
[0021] 在一些實施例中，性能曲線為至少三維的，并且將由水側HVAC設備生產的熱能資 源的量限定為至少兩個輸入變量的函數。執行一體化的空氣側/水側優化過程可包括在每 個時間點為每臺設備獨立地調整所述至少兩個輸入變量以優化預測成本模型。
[0022] 在一些實施例中，HVAC控制器被配置成通過將非凸形性能曲線轉化為包括多個分 段的線性區段的凸形性能曲線而生成性能曲線。
[0023] 在一些實施例中，執行一體化的空氣側/水側優化過程包括確定控制輸出，所述控 制輸出在包括多個離散的時間步長的優化周期內優化預測成本模型。HVAC控制器可以被配 置成在一體化的空氣側/水側優化過程之后執行第二優化過程，以調整控制輸出，從而優化 資源消耗的瞬時速率。在一些實施例中，一體化的空氣側/水側優化過程使用水側HVAC設備 的線性規劃和線性化的性能曲線在優化周期內優化控制輸出。第二優化過程可以使用水側 HVAC設備的非線性規劃和非線性的性能曲線來針對線性化的性能曲線中的誤差進行調整。
[0024] 本領域的技術人員將了解，
【發明內容】
僅為說明性的，而并非意圖以任何方式進行 限制。由權利要求唯一地限定的本文所述裝置和/或過程的其它方面、創新性特征和優點將 在本文中闡述并且結合附圖進行的詳細描述中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0025] 圖1是根據一個示例性實施例的裝有HVAC系統的建筑物的圖紙，該HVAC系統包括 在建筑物內的空氣側系統和水側系統。
[0026] 圖2是根據一個示例性實施例的另一個水側系統(例如，中央設施)的框圖，該系統 可以被用作圖1的水側系統的備選方案，以將加熱或激冷的流體提供至建筑物。
[0027] 圖3是根據一個示例性實施例的空氣側系統的框圖，該系統使用由圖1或圖2的水 側系統提供的加熱或激冷的流體來對遞送至建筑物的空氣流進行加熱或冷卻。
[0028]圖4是根據一個示例性實施例的包括HVAC控制器的HVAC控制系統的框圖，該HVAC 控制器解決了一體化的空氣側/水側優化問題，以優化圖2的水側系統和圖3的空氣側系統 兩者的性能。
[0029] 圖5是根據一個示例性實施例的框圖，示出了由圖4的HVAC控制器解決的一體化的 空氣側/水側優化問題的系統闡述，其中由HVAC系統消耗的各種公用事業和由HVAC系統產 生的流體流被建模為不同類型的資源。
[0030] 圖6是根據一個示例性實施例的框圖，更詳細地示出了圖4的HVAC控制器的優化模 塊。
[0031] 圖7A-7B是根據一個示例性實施例的示例性性能曲線的坐標圖，該曲線可以在一 體化的空氣側/水側優化問題中使用以將HVAC設備的資源消耗量限定為在HVAC設備上的負 荷的函數。
[0032] 圖8是根據一個示例性實施例的激冷器子設施的非凸形和波狀性能曲線的坐標 圖，該曲線可以通過將激冷器子設施的各個激冷器的裝置特定的性能曲線結合而生成。
[0033] 圖9是根據一個示例性實施例的凸形和分段線性性能曲線的坐標圖，該曲線可以 通過將圖8的性能曲線轉化為分段線性區段的凸形排列而生成。
[0034] 圖10是根據一個示例性實施例的多維度性能曲線的坐標圖，該曲線可以在一體化 的空氣側/水側優化問題中使用以將一個或多個因變量(例如，HVAC設備的資源產量)限定 為兩個或更多個可獨立控制的決策變量的函數。
[0035] 圖11是根據一個示例性實施例的用于利用一體化的空氣側/水側優化過程來優化 和控制HVAC系統的過程的流程圖，該系統包括水側系統和空氣側系統兩者。
[0036] 圖12是根據一個示例性實施例的圖11中使用的一體化的空氣側/水側優化過程的 流程圖，該過程用來同時確定空氣側系統和水側系統兩者的控制輸出。
【具體實施方式】
[0037] 大體上參看附圖，示出了根據各種示例性實施例的用于預測成本優化的系統和方 法及其組件。本文所述系統和方法可以用來優化建筑物采暖通風或空調（HVAC)系統的性 能，該HVAC系統包括水側系統和空氣側系統兩者。水側系統消耗來自公用事業提供者的資 源(例如，電力、天然氣、水等），以產生加熱或激冷的流體。空氣側系統使用加熱或激冷的流 體來對提供至建筑物的供應空氣流進行加熱或冷卻。在一些實施例中，空氣側系統和水側 系統兩者均位于建筑物內。在其它實施例中，水側系統可以作為中央設施實施，并且可以與 建筑物分離。
[0038] HVAC控制系統監測并控制空氣側系統和水側系統兩者。HVAC控制系統包括HVAC控 制器，該控制器執行一體化的空氣側/水側優化過程，以同時確定空氣側系統和水側系統兩 者的控制輸出。空氣側和水側優化的先前方案明確地單獨考慮空氣側和水側優化問題。例 如，先前的具體實施使用級聯方案，其中首先執行空氣側優化，以預測建筑物的制熱和制冷 負荷。級聯實施接著將預測的制熱和制冷負荷作為固定參數提供至水側優化，其次執行水 側優化以優化水側系統的性能。有利地，本發明使用一體化的空氣側/水側優化過程，該過 程同時解決空氣側優化問題和水側優化問題兩者。該優點允許本發明的系統和方法基于對 水側系統作出的控制決策來確定空氣側系統的最佳行為，反之亦然。
[0039]本文所述HVAC控制器可以接收各種數據輸入，包括例如來自天氣服務的天氣預 報、來自公用事業提供者的公用事業費率、限定HVAC設備的容量和性能特性的設備性能曲 線、來自位于建筑物內的各種傳感器的建筑物狀況、和/或來自水側系統和空氣側系統的設 備狀態。HVAC控制器可以使用各種數據輸入來表述優化問題并解決優化問題，以確定水側 系統和空氣側系統的一組最佳控制輸出。有利地，HVAC控制器能夠在設備分布的多維優化 中使用二維性能曲線和三維(或以上)性能曲線兩者。
[0040]如本文所用，術語"優化問題"可以表示確定一組控制輸出的最佳值的任何數學規 劃或優化。優化問題通常包括待優化的變量(例如，設備開/關狀態、操作設定點等），并且可 包括目標函數(例如，待最小化的成本函數）、對優化過程的約束條件(例如，建筑物的可接 受的溫度范圍、裝置容量等）、和/或在目標函數中使用的參數的表述。這些組件中的一些或 全部可以在本發明中使用以解決一體化的空氣側/水側優化問題，并且在下文中更詳細地 描述。
[0041] -體化的空氣側/水側優化問題可包括優化預測成本模型，該模型在一組優化約 束條件下預測由HVAC系統消耗的所述一種或多種資源的成本。在一些實施例中，HVAC控制 器使用混合整數線性規劃和/或線性優化程序(例如，分枝定界、分枝剪枝、基交換、內點等） 解決優化問題，以確定HVAC設備的最佳操作狀態(例如，開/關決策、設定點等）。最佳操作狀 態可以在一組優化約束條件下最小化在預定時間段內操作HVAC設備的成本。
[0042] 在一些實施例中，優化約束條件包括建筑物的溫度演化模型。溫度演化模型可以 將建筑物的溫度作為由水側系統提供至建筑物的一種或多種熱能資源的函數進行預測。優 化約束條件也可包括建筑物的溫度約束條件。有利地，單一優化過程可以用來同時確定建 筑物的最佳制熱/制冷需求和使HVAC系統滿足該最佳制熱/制冷需求的控制輸出這兩者。優 化過程也可以確定為了允許HVAC系統滿足該最佳制熱/制冷需求而必須從公用事業提供者 購買的資源的量。
[0043] 在一些實施例中，HVAC控制器調整線性優化過程的結果以考慮線性化的性能曲線 中的誤差和/或確定各種設備組內的各個裝置的設定點。HVAC控制器可以使用最佳控制決 策來為HVAC設備生成并分發控制信號。可以在設備正操作時收集描述HVAC設備的性能的經 驗性能數據并且用來更新HVAC設備的性能曲線。更新的性能曲線可接著在優化過程的后續 迭代中使用。在隨后的段落中將詳細描述本發明的其它方面、創新性特征和優點。
[0044] 具體參看圖1，示出了根據一個示例性實施例的建筑物10的透視圖。建筑物10由 HVAC系統100提供服務。HVAC系統100可包括多個HVAC裝置(例如，加熱器、激冷器、空氣處理 單元、栗、風扇、熱能存儲裝置等），這些裝置被配置成為建筑物10提供制熱、制冷、通風或其 它服務。例如，HVAC系統100示出為包括水側系統120和空氣側系統130。水側系統120可以將 加熱或冷卻的流體提供至空氣側系統130的空氣處理單元。空氣側系統130可以使用加熱或 冷卻的流體來對提供至建筑物10的空氣流進行加熱或冷卻。參照圖2-3將更詳細地描述示 例性的水側系統和空氣側系統。
[0045] HVAC系統100示出為包括激冷器102、鍋爐104和屋頂空氣處理單元(AHU) 106。水側 系統120可以使用鍋爐104和激冷器102來對工作流體(例如，水、乙二醇等)進行加熱或冷 卻，并且可以將工作流體循環至AHU 106。在各種實施例中，水側系統120的HVAC裝置可以位 于建筑物10內或周圍（如圖1所示)或者位于諸如中央設施的場外位置。工作流體可以在鍋 爐104中加熱或在激冷器102中冷卻，具體取決于建筑物10中是否需要制熱或制冷。鍋爐104 可以例如通過燃燒易燃材料(例如，天然氣）或使用電加熱元件而將熱量添加到循環的流 體。激冷器102可以將循環的流體置于與熱交換器(例如，蒸發器）中的另一種流體(例如，制 冷劑)的熱交換關系中，以從循環的流體吸收熱量。來自激冷器102或鍋爐104的工作流體可 以經由管道108輸送至AHU 106。
[0046] AHU 106可以將工作流體與（例如，經由冷卻盤管和/或加熱盤管的一個或多個級） 穿過AHU 106的空氣流置于熱交換關系中。空氣流可以是例如外部空氣、來自建筑物10內的 回流空氣、或兩者的組合。AHU 106可以在空氣流和工作流體之間傳遞熱量，以便為空氣流 提供加熱或冷卻。例如，AHU 106可包括一個或多個風扇或鼓風機，該一個或多個風扇或鼓 風機被配置成將空氣流傳遞經過或穿過包含工作流體的熱交換器。工作流體可以接著經由 管道110返回至激冷器102或鍋爐104。
[0047]空氣側系統130可以將由AHU 106供應的空氣流（即，供應空氣流)經由空氣供應管 112遞送至建筑物10,并且可以將回流空氣經由空氣回流管114從建筑物10提供至AHU 106。 在一些實施例中，空氣側系統130包括多個變風量(VAV)單元116。例如，空氣側系統130示出 為在建筑物10的各個樓層或區上包括單獨的VAV單元116 JAV單元116可包括擋板或其它流 量控制元件，可以操作該元件以控制提供至建筑物10的各個區的供應空氣流的量。在其它 實施例中，空氣側系統130將供應空氣流遞送到建筑物10的一個或多個區中（例如，經由供 應管112)，而不需要中間VAV單元116或其它流量控制元件。AHU 106可包括配置成測量供應 空氣流的屬性的各種傳感器(例如，溫度傳感器、壓力傳感器等KAHU 106也可以從位于建 筑物區內的傳感器接收輸入，并且可以調整通過AHU 106的供應空氣流的流量和/或溫度， 以達到建筑物區的設定點條件。
[0048]現在參看圖2,示出了根據一個示例性實施例的水側系統200的框圖。在各種實施 例中，水側系統200可以輔助或替代在HVAC系統100中的水側系統120,或者可以獨立于HVAC 系統100實施。當在HVAC系統100中實施時，水側系統200可包括在HVAC系統100中的HVAC裝 置的子設備(例如，鍋爐104、激冷器102、栗、閥等），并且可以操作以將加熱或激冷的流體供 應至AHU 106。水側系統200的HVAC裝置可以位于建筑物10內（例如，作為水側系統120的組 件)或者位于諸如中央設施的場外位置。
[0049] 在圖2中，水側系統200示出為具有多個子設施202-212的中央設施。子設施202-212示出為包括加熱器子設施202、熱回收激冷器子設施204、激冷器子設施206、冷卻塔子設 施208、熱的熱能存儲裝置(TES)子設施210和冷的熱能存儲裝置(TES)子設施212。子設施 202-212消耗來自公用事業的資源(例如，水、天然氣、電力等）以服務于建筑物或校園的熱 能負荷(例如，熱水、冷水、制熱、制冷等）。例如，加熱器子設施202可以被配置成加熱熱水環 路214中的水，熱水環路214使熱水在加熱器子設施202和建筑物10之間循環。激冷器子設施 206可以被配置成激冷冷水環路216中的水，冷水環路216使冷水在激冷器子設施206和建筑 物10之間循環。熱回收激冷器子設施204可以被配置成將熱量從冷水環路216傳遞至熱水環 路214,以便為熱水提供額外的加熱并為冷水提供額外的冷卻。冷凝器水環路218可以從激 冷器子設施206中的冷水吸收熱量，并且在冷卻塔子設施208中排放吸收的熱量或將吸收的 熱量傳遞至熱水環路214。熱的TES子設施210和冷的TES子設施212可以分別存儲熱和冷的 熱能，以供后續使用。
[0050] 熱水環路214和冷水環路216可以將加熱和/或激冷的水遞送至位于建筑物10的屋 頂上的空氣處理器(例如，AHU 106)或建筑物10的各個樓層或區（例如，VAV單元116)。空氣 處理器將空氣推送經過水流過的熱交換器(例如，加熱盤管或冷卻盤管），以便為空氣提供 加熱或冷卻。加熱或冷卻的空氣可以被遞送至建筑物10的各個區，以服務于建筑物10的熱 能負荷。水然后返回至子設施202-212,以接收另外的加熱或冷卻。
[0051] 雖然子設施202-212示出和描述為加熱和冷卻水以循環至建筑物，但應當理解，任 何其它類型的工作流體(例如，乙二醇、C02等)都可以代替水或作為其補充使用，以服務于 熱能負荷。在其它實施例中，子設施202-212可以直接為建筑物或校園提供制熱和/或制冷， 而不需要中間熱傳遞流體。
[0052]子設施202-212中的每一個可包括配置成有利于子設施的功能的多種設備。例如， 加熱器子設施202示出為包括多個加熱元件220(例如，鍋爐、電加熱器等），該多個加熱元件 220被配置成將熱量添加至在熱水環路214中的熱水。加熱器子設施202也示出為包括若干 栗222和224,該若干栗222和224被配置成使熱水在熱水環路214中循環并且控制通過各個 加熱元件220的熱水的流量。激冷器子設施206示出為包括多個激冷器232,該多個激冷器 232被配置成從在冷水環路216中的冷水中移除熱量。激冷器子設施206也示出為包括若干 栗234和236,該若干栗234和236被配置成使冷水在冷水環路216中循環并且控制通過各個 激冷器232的冷水的流量。
[0053]熱回收激冷器子設施204示出為包括多個熱回收熱交換器226(例如，制冷回路）， 該多個熱回收熱交換器226被配置成將熱量從冷水環路216傳遞至熱水環路214。熱回收激 冷器子設施204也示出為包括若干栗228和230,該若干栗228和230被配置成使熱水和/或冷 水循環通過熱回收熱交換器226,并且控制通過各個熱回收熱交換器226的水的流量。冷卻 塔子設施208示出為包括多個冷卻塔238,該多個冷卻塔238被配置成從在冷凝器水環路218 中的冷凝器水移除熱量。冷卻塔子設施208也示出為包括若干栗240,該若干栗240被配置成 使冷凝器水在冷凝器水環路218中循環，并且控制通過各個冷卻塔238的冷凝器水的流量。 [0054]熱的TES子設施210示出為包括熱的TES箱242,該熱的TES箱242被配置成存儲熱水 以供日后使用。熱的TES子設施210也可包括一個或多個栗或閥，該一個或多個栗或閥被配 置成控制進入或離開熱的TES箱242的熱水的流量。冷的TES子設施212示出為包括冷的TES 箱244，該冷的TES箱244被配置成存儲冷水以供日后使用。冷的TES子設施212也可包括一個 或多個栗或閥，該一個或多個栗或閥被配置成控制進入或離開冷的TES箱244的冷水的流 量。
[0055] 在一些實施例中，水側系統200中的一個或多個栗（例如，栗222、224、228、230、 234、236和/或240)或水側系統200中的管線包括與之相關聯的隔離閥。隔離閥可以與栗一 體化或定位在栗的上游或下游，以控制水側系統200中的流體流。在各種實施例中，根據水 側系統200的特定配置和由水側系統200服務的負荷的類型，水側系統200可包括更多、更少 或不同類型的裝置和/或子設施。
[0056]現在參看圖3,示出了根據一個示例性實施例的空氣側系統300的框圖。在各種實 施例中，空氣側系統300可以輔助或替代在HVAC系統100中的空氣側系統130,或者可以獨立 于HVAC系統100實施。當在HVAC系統100中實施時，空氣側系統300可包括在HVAC系統100中 的HVAC裝置的子設備(例如，AHU 106、VAV單元116、管112-114、風扇、擋板等），并且可以位 于建筑物10中或周圍。可以操作空氣側系統300使用由水側系統200提供的加熱或激冷的流 體來加熱或冷卻提供至建筑物10的空氣流。
[0057] 在圖3中，空氣側系統300示出為包括節熱器式空氣處理單元(AHU)302。節熱器式 AHU改變由空氣處理單元使用以用于制熱或制冷的外部空氣和回流空氣的量。例如，AHU 302可以經由回流空氣管308接收來自建筑物區306的回流空氣304,并且可以經由供應空氣 管312將供應空氣310遞送至建筑物區306。在一些實施例中，AHU 302為位于建筑物10的屋 頂上的屋頂單元(例如，如圖1所示的AHU 106)或者被定位成接收回流空氣304和外部空氣 314兩者。AHU 302可以被配置成操作排氣擋板316、混合擋板318和外部空氣擋板320,以控 制外部空氣314和回流空氣304的量，該外部空氣314和回流空氣304結合以形成供應空氣 310。未穿過混合擋板318的任何回流空氣304可以作為排氣322通過排氣擋板316從AHU 302 排放。
[0058] 擋板316-320中的每一個可以由致動器操作。例如，排氣擋板316可以由致動器324 操作，混合擋板318可以由致動器326操作，并且外部空氣擋板320可以由致動器328操作。致 動器324-328可以經由通信鏈路332與AHU控制器330通信。致動器324-328可以從AHU控制器 330接收控制信號，并且可以將反饋信號提供至AHU控制器330。反饋信號可包括例如當前致 動器或擋板位置的指示、由致動器施加的扭矩或力的量、診斷信息(例如，由致動器324-328 執行的診斷測試的結果）、狀態信息、調試信息、配置設置、校準數據、和/或可以由致動器 324-328收集、存儲或使用的其它類型的信息或數據。AHU控制器330可以是節熱器控制器， 該節熱器控制器被配置成使用一種或多種控制算法(例如，基于狀態的算法、ESC算法、PID 控制算法、模型預測控制算法、反饋控制算法等)來控制致動器324-328。
[0059]仍然參看圖3，AHU 302示出為包括冷卻盤管334、加熱盤管336、以及定位在供應空 氣管312內的風扇338。風扇338可以被配置成迫使供應空氣310通過冷卻盤管334和/或加熱 盤管336并將供應空氣310提供至建筑物區306 AHU控制器330可以經由通信鏈路340與風扇 338通信以控制供應空氣310的流量。在一些實施例中，AHU控制器330通過調制風扇338的速 度來控制施加到供應空氣310的加熱或冷卻的量。
[0060]冷卻盤管334可以經由管道342接收來自水側系統200(例如，來自冷水環路216)的 激冷的流體，并且可以將激冷的流體經由管道344返回至水側系統200。閥346可以沿著管道 342或管道344定位，以控制通過冷卻盤管334的激冷的流體的流量。在一些實施例中，冷卻 盤管334包括多級冷卻盤管，這些冷卻盤管可被獨立地啟用和停用（例如，由AHU控制器330、 由監督控制器366等），以調制施加到供應空氣310的冷卻的量。
[0061 ]加熱盤管336可以經由管道348接收來自水側系統200(例如，來自熱水環路214)的 加熱的流體，并且可以將加熱的流體經由管道350返回至水側系統200。閥352可以沿著管道 348或管道350定位，以控制通過加熱盤管336的加熱的流體的量。在一些實施例中，加熱盤 管336包括多級加熱盤管，這些加熱盤管可被獨立地啟用和停用（例如，由AHU控制器330、由 監督控制器366等），以調制施加到供應空氣310的加熱的量。
[0062] 閥346和352中的每一個可由致動器控制。例如，閥346可由致動器354控制，并且閥 352可由致動器356控制。致動器354-356可以經由通信鏈路358-360與AHU控制器330通信。 致動器354-356可以從AHU控制器330接收控制信號，并且可以將反饋信號提供至控制器 330。在一些實施例中，AHU控制器330從定位在供應空氣管312中（例如，冷卻盤管334和/或 加熱盤管336下游）的溫度傳感器362接收供應空氣溫度的測量值。AHU控制器330也可以從 定位于建筑物區306中的溫度傳感器364接收建筑物區306的溫度的測量值。
[0063] 在一些實施例中，AHU控制器330經由致動器354-356操作閥346和352,以調制提供 至供應空氣310的加熱或冷卻的量(例如，以達到供應空氣310的設定點溫度或將供應空氣 310的溫度保持在設定點溫度范圍內）。閥346和352的位置影響由冷卻盤管334或加熱盤管 336提供至供應空氣310的加熱或冷卻的量，并且可以與為達到所需的供應空氣溫度而消耗 的能量的量關聯。AHU 330可以通過啟用或停用盤管334-336、調整風扇338的速度或兩者的 組合來控制供應空氣310和/或建筑物區306的溫度。
[0064]仍然參看圖3,空氣側系統300示出為包括監督控制器366和客戶端裝置368。客戶 端裝置368可包括一個或多個人機接口或客戶端接口（例如，圖形用戶接口、報告接口、基于 文本的計算機接口、面向客戶的Web服務、將頁面提供至Web客戶端的Web服務器等），以用于 控制、查看或以其它方式與HVAC系統100、其子系統和/或裝置交互。客戶端裝置368可以是 計算機工作站、客戶終端、遠程或本地接口、或任何其它類型的用戶接口裝置。客戶端裝置 368可以是靜止的終端或移動裝置。例如，客戶端裝置368可以是臺式計算機、帶有用戶接口 的計算機服務器、膝上型計算機、平板計算機、智能手機、PDA、或任何其它類型的移動或非 移動裝置。客戶端裝置368可以經由通信鏈路372與監督控制器366和/或AHU控制器330通 {目。
[0065] 監督控制器366可包括一個或多個計算機系統(例如，服務器、BAS控制器等），該一 個或多個計算機系統充當用于空氣側系統300、水側系統200和/或HVAC系統100的系統級控 制器、應用或數據服務器、頭節點、或主控制器。監督控制器366可以根據類似或不同的協議 (例如，L0N、BACnet等)經由通信鏈路370與多個下游建筑物系統或子系統(例如，HVAC系統 100、安防系統、照明系統、水側系統200等)通信。在各種實施例中，AHU控制器330和監督控 制器366可以是獨立的（如圖3所示）或是一體化的。在一體化的具體實施中，AHU控制器330 可以是配置成由監督控制器366的處理器執行的軟件模塊。
[0066]在一些實施例中，AHU控制器330從監督控制器366接收信息（例如，命令、設定點、 操作邊界等），并且將信息（例如，溫度測量值、閥或致動器位置、操作狀態、診斷等)提供至 監督控制器366。例如，AHU控制器330可以為監督控制器366提供來自溫度傳感器362-364的 溫度測量值、設備開/關狀態、設備操作能力、和/或任何其它信息，這些信息可由監督控制 器366使用以監測或控制建筑物區306內的可變狀態或條件。
[0067] 現在參看圖4，示出了根據一個示例性實施例的HVAC控制系統400。HVAC控制系統 400示出為包括HVAC控制器402、水側系統200、空氣側系統300和建筑物10。如圖4所示，操作 水側系統200以將加熱或激冷的流體提供至空氣側系統300。空氣側系統300使用加熱或激 冷的流體來對提供至建筑物10的供應空氣流進行加熱或冷卻。HVAC控制器40 2可以被配置 成監測和控制建筑物10中的HVAC設備、水側系統200、空氣側系統300、和/或其它HVAC系統 或子系統。
[0068] 根據一個示例性實施例，HVAC控制器402-體化在單個計算機(例如，一個服務器、 一個外殼等）內。在各種其它不例性實施例中，HVAC控制器402可被分布在多個服務器或(例 如，可存在于分散的位置的)計算機中。在另一個示例性實施例中，HVAC控制器402可以與建 筑物自動化系統（例如，由Johnson Controls，Inc.銷售的METASYS?,牌建筑物管理系 統）或企業級建筑物管理器一體化，該管理器被配置成監測和控制多個建筑物系統（例如， 基于云的建筑物管理器、由Johnson Controls，Inc·銷售的PANOPTIX?.牌建筑物節能系 統)。
[0069] HVAC控制器402示出為包括通信接口 404和處理電路406。通信接口 404可包括有線 或無線接口（例如，插座、天線、發射器、接收器、收發器、線端子等），以用于與各種系統、裝 置或網絡進行數據通信。例如，通信接口404可包括以太網卡和端口，以用于經由基于以太 網的通信網絡發送和接收數據，和/或包括WiFi收發器，以便經由無線通信網絡進行通信。 通信接口 404可以被配置成經由局域網或廣域網（例如，互聯網、建筑物WAN等)通信，并且可 以使用多種通信協議(例如，BACnet、IP、L0N等）。
[0070] 通信接口 404可以是網絡接口，該網絡接口被配置成有利于HVAC控制器402和各種 外部系統或裝置（例如，水側系統200、空氣側系統300、建筑物10、天氣服務416、公用事業 418等)之間的電子數據通信。例如，通信接口 404可以從建筑物10接收指示建筑物10的一個 或多個測量狀態（例如，溫度、濕度、電負荷等）的信息。通信接口 404也可以從水側系統200 和空氣側系統300接收指示水側系統200和空氣側系統300的測量或計算狀態的信息(例如， 傳感器值、設備狀態信息、開/關狀態、功耗、設備可用性等）。通信接口 404可以從水側系統 200和空氣側系統300接收輸入，并且可以將操作參數(例如，開/關決策、設定點等)提供至 水側系統200和空氣側系統300。操作參數可以致使水側系統200和空氣側系統300啟用、停 用或為設備412-414的各種裝置調整設定點。
[0071]在一些實施例中，HVAC控制器402經由通信接口 404接收來自水側系統200、空氣側 系統300和建筑物10的測量值。測量值可以基于從分布在水側系統200、空氣側系統300和建 筑物10中各處的各種傳感器(例如，溫度傳感器、濕度傳感器、空氣流傳感器、電壓傳感器 等)接收的輸入。這樣的測量值可包括例如熱水環路214中加熱的流體的供應和回流溫度、 冷水環路216中激冷的流體的供應和回流溫度、建筑物區306的溫度、供應空氣310的溫度、 回流空氣304的溫度、和/或由HVAC控制系統400監測、控制或影響的其它值。在一些實施例 中，HVAC控制器402從建筑物10接收指示建筑物10的耗電量的電負荷信息。
[0072] 在一些實施例中，HVAC控制器402經由通信接口 404接收來自水側系統200和空氣 側系統300的可用性信息。可用性信息可以指示設備412-414的當前操作狀態（例如，開/關 狀態、操作設定點等）以及設備412-414用于服務于制熱或制冷負荷的可用容量。設備412可 包括水側系統200的可操作設備，例如，子設施202-212的設備（例如，加熱元件220、激冷器 232、熱回收激冷器226、冷卻塔238、栗222、224、228、230、234、236、240、熱的熱能存儲箱 242、冷的熱能存儲箱244等），如參照圖2所描述的。設備414可包括空氣側系統300的可操作 設備（例如，風扇338、擋板316-320、閥346和352、致動器324-328和352-354等），如參照圖3 所描述的。設備412-414的各個裝置可由HVAC控制器402開啟或關閉，以調節由每個裝置供 應的熱能負荷。在一些實施例中，設備412-414的各個裝置可根據從HVAC控制器402接收的 操作設定點以可變的容量操作(例如，在10%容量或60%容量下操作激冷器）。與設備412-414有關的可用性信息可以識別設備412-414的最大操作容量、設備412-414的當前操作容 量、和/或用于生成用來供應加熱或冷卻負荷(例如，熱水、冷水、空氣流等）的資源的設備 412-414的可用(例如，當前未使用的)容量。
[0073]仍然參看圖4，HVAC控制器402示出為正接收來自天氣服務416的天氣預報和來自 公用事業418的公用事業費率。天氣預報和公用事業費率可以經由通信接口 404或單獨的網 絡接口接收。天氣預報可包括針對建筑物10的地理位置的當前或預測的溫度、濕度、壓力、 和/或其它與天氣有關的信息。公用事業費率可以指示在預測窗口中的每個時間步長處由 公用事業418提供的每單位資源（例如，電力、天然氣、水等）的成本或價格。在一些實施例 中，公用事業費率是隨時間變化的費率。例如，電力的價格可能在一天中的某些時間或一周 中的某些天(例如，在高需求時期期間）較高，并且在一天中的其它時間或一周中的某些天 (例如，在低需求時期期間）較低。公用事業費率可以限定多個時間段以及在每個時間段期 間的每單位資源的成本。公用事業費率可以是從公用事業418接收的實際費率或預測的公 用事業費率。
[0074]在一些實施例中，公用事業費率包括由公用事業418提供的一種或多種資源的需 量費用。需量費用可以基于在需量費用時期期間特定資源的最大使用量(例如，最大能耗） 限定由公用事業418征收的單獨的成本。公用事業費率可以限定多個需量費用時期以及與 每個需量費用時期相關聯的一個或多個需量費用。在一些情況下，需量費用時期可以彼此 部分地或完全地重疊，并且/或者與預測窗口部分地或完全地重疊。公用事業418可以由隨 時間變化的（例如，每小時的）價格、最大服務水平(例如，由物理基礎結構或由合同允許的 最大消耗速率)和在電力的情況下的在某個時期內的峰值消耗速率的需量費用或費用來限 定。
[0075] 仍然參看圖4,處理電路406示出為包括處理器408和存儲器410。處理器408可以是 通用或專用處理器、專用集成電路(ASIC)、一個或多個現場可編程門陣列(FPGA)、一組處理 組件、或其它合適的處理組件。處理器408可以被配置成執行存儲在存儲器410中或接收自 其它計算機可讀介質(例如，CDR0M、網絡存儲裝置、遠程服務器等)的計算機代碼或指令。 [0076]存儲器410可包括一個或多個裝置(例如，存儲器單元、存儲器裝置、存儲裝置等）， 以用于存儲用于完成和/或有利于本公開中描述的各種過程的數據和/或計算機代碼。存儲 器410可包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(R0M)、硬盤驅動器存儲、臨時存儲、非易失 性存儲器、閃存、光學存儲器、或用于存儲軟件對象和/或計算機指令的任何其它合適的存 儲器。存儲器410可包括數據庫組件、目標代碼組件、腳本組件、或任何其它類型的信息結 構，以用于支持本公開中描述的各種活動和信息結構。存儲器410可以經由處理電路406可 通信地連接到處理器408,并且可包括用于執行（例如，由處理器408)本文所述一個或多個 過程的計算機代碼。
[0077]仍然參看圖4,存儲器410示出為包括狀態監視器436。狀態監視器436可以接收并 存儲與建筑物10、水側系統200和/或空氣側系統300有關的狀態信息。例如，狀態監視器436 可以接收并存儲關于待加熱或冷卻的整個建筑物或建筑物空間的數據。在一個示例性實施 例中，狀態監視器436可包括圖形用戶接口組件，該圖形用戶接口組件被配置成將圖形用戶 接口提供給用戶，以供用戶選擇建筑物要求(例如，總體溫度參數、為建筑物選擇計劃表、為 不同的建筑物區選擇不同的溫度水平等KHVAC控制器402可以確定開/關配置和操作設定 點，以滿足從狀態監視器436接收的建筑物要求。
[0078]在一些實施例中，狀態監視器436接收、收集、存儲和/或發送冷卻負荷要求、建筑 物溫度設定點、占有率數據、天氣數據、能量數據、計劃表數據、以及其它建筑物參數。在一 些實施例中，狀態監視器436存儲關于能量成本的數據，例如，可得自公用事業418的定價信 息（能量費用、需量費用等）。在一些實施例中，狀態監視器436存儲由水側系統200和空氣側 系統300提供的測量值和可用性信息。狀態監視器436可以將存儲的狀態信息提供至優化模 塊422,以用于優化系統200-300的性能。
[0079]仍然參看圖4，存儲器410示出為包括性能曲線模塊420。性能曲線模塊420可以存 儲性能曲線(也稱為效率曲線、設備曲線或子設施曲線），該曲線描述了設備412-414的各種 裝置的輸入和輸出之間的關系。例如，激冷器子設施206的性能曲線可以將子設施202的公 用事業使用速率(例如，以kW測量的電力使用量、以L/s測量的水使用量等)指示為子設施負 荷（例如，冷水產量、供水溫度等）的函數。性能曲線可以針對設備412-414的單個裝置(例 如，單個栗、單個激冷器、單個鍋爐等)或設備412-414的一系列裝置(例如，激冷器子設施 206、加熱器子設施202等)進行限定。性能曲線可以將一個裝置或一系列裝置生產第一資源 (例如，熱水、激冷水等）的速率限定為所述一個裝置或所述一系列裝置消耗第二資源（例 如，電力、天然氣、水等)的速率的函數。性能曲線可以是N維曲線(例如，一維曲線、二維曲線 三維曲線、或更高維度的曲線），該曲線將一種或多種輸出資源的產量限定為一種或多種輸 入資源的函數。一般來講，性能曲線可以限定N個自變量或N個總變量之間的關系。參照圖7-10更詳細地示出和描述了示例性的性能曲線。
[0080]性能曲線可以由裝置制造商提供或使用實驗數據生成。在一些實施例中，性能曲 線基于由裝置制造商提供的初始性能曲線并且使用實驗數據進行更新。在一些實施例中， 性能曲線模塊420通過合并組的各個裝置的性能曲線而生成一組設備412-414的性能曲線 (例如，子設施202-212中的一個的子設施曲線）。一些裝置的性能曲線可以指示資源消耗量 是負荷的非線性函數。因此，當多個性能曲線合并成整個子設施的性能曲線時，所得到的子 設施曲線可以是如圖8所示的波狀(即，非凸形）曲線。波浪由單個裝置在更有效地開啟另一 個裝置以滿足子設施負荷之前升負荷造成。
[0081 ]性能曲線模塊4 20可以被配置成將非凸形性能曲線轉化為凸形性能曲線。凸形曲 線是這樣的曲線:其中連接曲線上的任意兩點的線始終在曲線的上方或沿著曲線（即，不在 曲線的下方）。在由優化模塊422執行的優化過程中使用凸形曲線可能是有利的，因為相對 于使用非凸函數的優化過程，其能夠實現計算費用較低的優化過程。性能曲線模塊420可以 被配置成將性能曲線分成分段的線性區段，這些區段組合以形成分段定義的凸形曲線。由 性能曲線模塊420生成的未修改的性能曲線和線性化的性能曲線分別在圖8和圖9中示出。 性能曲線模塊420可以將性能曲線提供至優化模塊422以用于優化過程。
[0082]仍然參看圖4,存儲器410示出為包括優化模塊422。優化模塊422可以優化空氣側 系統300和水側系統200的性能。例如，優化模塊422可以為設備412-414確定一組最優的控 制輸出（例如，設備開/關決策和操作設定點），該一組最優的控制輸出使由水側系統200和 空氣側系統300消耗以將建筑物10中的條件保持在可接受的限度內的能量的成本最小化。 由優化模塊422確定的最優控制輸出可以優化為了在預定時間期限內操作系統200-300而 由系統200-300消耗的資源（例如，電力、天然氣、水等）的總貨幣成本(例如，美元）。優化可 以在長的時間期限內進行，并且可以考慮從公用事業418接收的分時計價能量價格和需量 費用。
[0083]有利地，優化模塊422可以使用單個統一的空氣側/水側優化來優化水側系統200 和空氣側系統300的性能。空氣側和水側優化的先前方案明確地單獨考慮空氣側和水側優 化問題。例如，名稱為"高層級中央設施優化"且提交于2015年2月27日的美國專利申請號 14/634，609對中央設施的優化使用了級聯方案。美國專利申請號14/634，609的全部公開內 容以引用方式并入本文中。級聯方案首先執行空氣側優化，以預測建筑物的制熱和制冷負 荷。預測的制熱和制冷負荷接著作為固定參數提供至水側優化，其次執行水側優化以優化 中央設施的性能。
[0084]由優化模塊422進行的單個統一的空氣側/水側優化有利地同時解決了空氣側優 化問題和水側優化問題。該優點允許優化模塊422基于結合水側系統200做出的控制決策來 確定空氣側系統300的最佳行為，反之亦然。參照圖6更詳細地描述優化模塊422和由優化模 塊422執行的統一的空氣側/水側優化。
[0085]仍然參看圖4,存儲器410示出為包括控制輸出模塊428。控制輸出模塊428可以存 儲關于過去的操作狀態、過去的操作設定點和指令的歷史數據，所述指令用于計算和/或實 施水側系統200和空氣側系統300的控制參數。控制輸出模塊428也可以接收、存儲和/或發 送關于設備412-414的各個裝置的狀況的數據，例如，操作效率、設備退化、上次維修的日 期、壽命參數、狀態等級、或其它裝置特定的數據。控制輸出模塊428可以經由通信接口 404 接收來自水側系統200和空氣側系統300的數據。控制輸出模塊428也可以接收并存儲由優 化模塊422確定的開/關狀態和操作設定點。
[0086]來自優化模塊422、控制輸出模塊428或HVAC控制器402的其它模塊的數據和處理 結果可以由監測和報告應用程序434訪問（或推送至該應用程序）。監測和報告應用程序434 可以被配置成生成實時"系統健康"儀表板，其可由用戶（例如，中央設施工程師)查看和導 航。例如，監測和報告應用程序434可包括基于Web的監測應用程序，該監測應用程序具有若 干圖形用戶接口（GUI)元素（例如，小部件、儀表板控件、窗口等），以用于向GUI的用戶顯示 關鍵性能指標(KPI)或其它信息。此外，GUI元素可以概述不同的建筑物(實際或模擬）、不同 的校園等中的整個中央設施中的相對能量使用和強度。其它GUI元素或報告可以基于可用 數據生成和示出，該數據允許用戶從一個屏幕訪問在一個或多個中央設施中的性能。用戶 接口或報告(或下面的數據引擎)可以被配置成將操作條件按建筑物、建筑物類型、設備類 型等聚合和分類。GUI元素可包括圖表或柱狀圖，該圖標和柱狀圖允許用戶在視覺上分析中 央設施的裝置的操作參數和功耗。
[0087] 仍然參看圖4，HVAC控制器402可包括一個或多個GUI服務器、Web服務426或⑶I引 擎424以支持對應用程序434的監測和報告。在一些實施例中，應用程序434、Web服務426和 GUI引擎424可以作為單獨的組件在HVAC控制器402的外部提供(例如，作為智能建筑物管理 器的一部分KHVAC控制器402可以被配置成保持相關數據的詳細歷史數據庫(例如，關系數 據庫、XML數據庫等)并且包括計算機代碼模塊，該模塊連續地、經常地或很少地查詢、聚合、 轉化、搜索、或以其它方式處理保持在詳細數據庫中的數據。HVAC控制器402可以被配置成 將任何這種處理的結果提供至其它數據庫、表、XML文件、或其它數據結構，以用于由例如外 部監測和報告應用程序進一步查詢、計算或訪問。
[0088] HVAC控制器402示出為包括配置工具430。配置工具430可允許用戶限定（例如，經 由圖形用戶接口、經由提示驅動的"向導"等)HVAC控制器402應對水側系統200和/或空氣側 系統300中變化的條件做出反應的方式。在一個示例性實施例中，配置工具430允許用戶構 建并存儲條件響應場景，該場景可橫跨多個中央設施裝置、多個建筑物系統、以及多個企業 控制應用程序(例如，工作單管理系統應用程序、實體資源規劃應用程序等）。例如，配置工 具430可為用戶提供使用多種條件邏輯合并(例如，來自子系統、來自事件歷史的)數據的能 力。在不同的示例性實施例中，條件邏輯可涵蓋從條件之間的簡單邏輯運算符(例如，AND、 0R、X0R等)到偽代碼構造或復雜的編程語言函數(允許更復雜的交互、條件語句、循環等）的 范圍。配置工具430可提供用戶接口以用于構建這樣的條件邏輯。用戶接口可以允許用戶以 圖形方式限定策略和響應。在一些實施例中，用戶接口可以允許用戶選擇預存儲的或預構 造的策略并調適該策略或使其能夠與用戶接口的系統一起使用。
[0089] 現在參看圖5,示出了根據一個示例性實施例的示意圖500,該示意圖500示出由優 化模塊422解決的優化問題的系統闡述。在該系統闡述中，由公用事業418提供的所有公用 事業(例如，電力、天然氣、水等)和由水側系統200生成的水流(例如，熱水、冷水等)被視為 不同類項的資源。一些資源可按隨時間變化的價格購自公用事業418,并且可以按需求量計 費。例如，示意圖500示出了公用事業418將第一資源510(天然氣）、第二資源512(水）、第三 資源514(電力）和第K資源516提供至發電機502以換取貨幣付款($?)。雖然在示意圖500中 僅示出幾種購買的資源510-516,但應當理解，資源510-516可包括能夠從另一個實體接收 或購買的任何數量和/或類型的資源。由優化模塊422解決的優化問題可以嘗試在多種優化 約束條件的約束之下最小化在預定的時間期限內提供至公用事業418以換取購買的資源 510-516的貨幣付款的總量。
[0090] 在示意圖500中，各種裝置或各組裝置標示為發電機502。例如，發電機502示出為 包括加熱器水栗504、激冷器水栗506、加熱器子設施202、激冷器子設施206、熱的熱能存儲 裝置(TES)242和冷的TES 244。每一個發電機502消耗第一組資源并生產第二組資源。例如， 加熱器水栗504示出為消耗資源512(水)并生產資源518(熱流）。激冷器水栗506示出為消耗 資源512(水)并生產資源520(冷流）。加熱器子設施202示出為消耗資源510(天然氣)和資源 512(水)并生產資源522(熱水）。熱水資源522可以提供至負載508(例如，空氣側系統300或 建筑物10)或存儲在熱的TES 242中以供后續使用。激冷器子設施206示出為消耗資源512 (水)和資源514(電力)并生產資源524(冷水）。冷水資源524可以提供至負載508或存儲在冷 的TES 244中以供后續使用。由每一個發電機502生產和消耗的資源之間的關系可以由存儲 在對應的發電機502的性能曲線模塊420中的性能曲線限定。
[0091] 雖然在示意圖500中僅示出幾個發電機502,但應當理解，發電機502可包括消耗第 一組資源以生產第二組資源的任何系統、裝置或一系列裝置。例如，發電機502可包括子設 施202-212、加熱元件220、激冷器232、熱回收激冷器226、冷卻塔238、風扇338、冷卻盤管 334、加熱盤管336、或水側系統200或空氣側系統300的任何其它設備中的任一者。優化模塊 422可以將約束條件施加到優化問題，以確保在預測窗口中的每個時間步長處每種資源的 總供給（即，由發電機502生產、從TES 242-244分配和從公用事業418購買的每種資源的量） 滿足或超出該資源的總需求（即，由發電機502消耗、添加到TES 242-244和遞送至負載508 的資源的量）。
[0092] 現在參看圖6,示出了根據一個示例性實施例的框圖，該圖更詳細地示出優化模塊 422。優化模塊422示出為接收若干數據輸入，包括來自天氣服務416的天氣預報、來自公用 事業418的公用事業費率、來自性能曲線模塊420的性能曲線、來自狀態監視器436或建筑物 1 〇的建筑物狀況、以及來自水側系統200和空氣側系統300的設備狀態。優化模塊422可以使 用數據輸入來表述優化問題并解決該優化問題，以確定水側系統200和空氣側系統300的一 組最優控制輸出。
[0093] 優化問題可包括目標函數(例如，待最小化的成本函數）、對優化過程的約束條件 (例如，建筑物10的可接受的溫度范圍、裝置容量等）、待優化的變量(例如，設備開/關狀態、 操作設定點等）、和/或在目標函數中使用的參數的系統闡述。所有這些組件都可以由優化 模塊422使用以解決優化問題，并且在下文中更詳細地描述。
[0094] 優化模塊422可以使用線性優化程序(例如，混合整數線性規劃、基交換、內點等） 來解決優化問題，以確定設備412-414的最佳操作狀態(例如，開/關決策、設定點等）。最佳 操作狀態可以在優化約束條件下最小化在預定時間段內操作設備412-414的成本。有利地， 由優化模塊422執行的線性優化過程使用單個統一的優化過程為水側系統200和空氣側系 統300兩者同時生成最佳控制決策。在一些實施例中，優化模塊422修改線性優化過程的結 果以考慮線性化的性能曲線中的誤差并確定各種設備組內的各個裝置的設定點。優化模塊 422可以使用最佳控制決策來為設備412-414生成并分發控制信號。
[0095] 仍然參看圖6,優化模塊422示出為包括優化框架模塊602。優化框架模塊602可以 被配置成選擇和/或建立優化框架，以用于計算確定最佳控制決策。在一些實施例中，優化 框架模塊602將線性規劃作為優化框架使用。例如，優化框架模塊602可以將目標函數限定 為決策變量(例如，設備開/關狀態、操作設定點等)和參數的線性組合。
[0096] 在一些實施例中，目標函數為預測成本模型，該預測成本模型限定在預定優化周 期內操作水側系統200和空氣側系統300的總貨幣成本。例如，優化框架模塊602可以限定目 標函數，該目標函數可以表示為如下簡化形式：
[0097] 欲《
[0098] 其中，為在優化周期的持續時間內的資源k的總購買成本，并且K為包括從公用 事業418購買的所有資源的集合。變量可以是由優化模塊422控制的各種決策變量(下文 更詳細地描述）的線性函數。優化模塊422可以通過為決策變量選擇最佳值來使變量者"最 小化。
[0099]以上提供的簡化預測模型可以通過優化框架模塊602修改，以考慮除了購買的資 源的貨幣成本之外的成本。這樣的非購買成本可包括例如積壓資源、切換發電機的操作狀 態(例如，開/關）、對熱能存儲裝置充注或排放、和/或未能將建筑物10中的條件保持在可接 受的邊界內。例如，修改的預測模型可以表達為：
[0101] 其中，綠#為顯性資源成本，并且術語VkSkT表示對應于在優化周期結束時存儲的資 源的半顯性利潤。修改的預測模型示出為包括:術語&b kt，該術語表示在優化周期中的每個 時間步長t處針對每種積壓的資源k而強加的成本;術語，該術語表示在優化 周期中的每個時間步長t期間針對對來自組i的發電機在開啟和關閉狀態之間進行切換而 強加的成本；以及術語術語表示在優化周期中的每個時間步長t期間針對 未能將建筑物區1內的溫度保持在可接受的邊界內而強加的成本。參照模塊604-610更詳細 地描述預測模型的這些和其它變量和參數。預測模型也可包括一組優化約束條件，該組優 化約束條件可以由下文更詳細地描述的約束模塊610表述并施加。
[0102] 有利地，本文所述線性規劃框架允許優化模塊422以非常短的時幀確定長的優化 周期的最佳控制動作連同負荷變化罰值、需量費用和多維性能曲線。然而，線性優化框架僅 僅是可由優化模塊422使用的優化框架的一個示例，并且不應認為是限制性的。在各種其它 實施例中，優化模塊422可以使用多種優化框架和/或優化技術(例如，二次規劃、線性分式 規劃、非線性規劃、組合算法等)來確定最佳控制動作。
[0103] 以下段落描述了根據本發明的一個示例性實施例的由優化模塊422使用的預測模 型的各種特征。在此描述中，使用黑體羅馬字符來表示集合。實數和整數的集合分別表示為 R和Z。指標集（indexing sets)如參照集合模塊604所描述那樣進行定義。在預測模型中使 用的決策變量由小寫的羅馬字符表示，并且如參照決策變量模塊606所描述那樣進行定義。 模型的參數由小寫的希臘字符表示，但有兩處例外：決策變量的顯式邊界用對應的大寫字 母表示，并且動態決策變量的初始狀態由帶有下標0的決策變量表示。參照參數模塊608更 詳細地描述預測模型的參數。
[0104]仍然參看圖6，優化模塊422示出為包括集合模塊604。集合模塊604可以被配置成 存儲并管理在預測模型中使用的數據集。下表1中提供了可以在預測模型中使用的指標集 的列表：
[0106] 在時間的指標集中，具有持續時間△(例如，小時、分、秒等）的時間段teT可以在 (t-ι) Δ至t Δ的范圍內。例如，第一時間段可以從t = 0持續至t= Δ。第二時間段可以從t = A持續至t = 2 △，依此類推。動態約束條件（即，離散的微分方程式)可以導致T之外的指標 被定義為參數。例如，xo可以被定義為參數，使得表達式xt-i對于t = 1仍然有效。
[0107] 需量費用窗口可以用來對多個需量費用建模。例如，公用事業418可以為第一時間 段(例如，日間、高峰期等)估算第一需量費用以及為第二時間段(例如，夜間、非高峰期等） 估算第二需量費用。在該示例中，指標集W可以被定義為W={1，2}，其中w=l對應于第一需 量費用時期，并且w = 2對應于第二需量費用時期。
[0108] 下表2中提供了可以在預測模型中使用的定義集合的列表：
[0110]如表2中所用，術語"設備組"是指一系列發電機(例如，發電機502的子集），其被建 模為以特定次序開啟并且被認為對于切換約束條件來說是相同的。對于每個設備組i來說， 對應的設備指標jej可以被排序，使得一臺設備j只能在所有其它臺設備j'>j也已開啟時 開啟，其中eh。該特征可以消除由優化模型中相同的設備產生的對稱性。然而，應當指 出，該約束條件僅僅是建模約束條件，其旨在使優化問題更容易且不限制物理設備的操作。 設備組內的物理設備可以以任何次序開啟/關閉，該次序對于負荷平衡或其它操作來說可 能是理想。
[0111]插值點和插值區域的集合與各種發電機502的性能曲線有關。如上所述，發電機的 性能曲線可以是非線性的，但是被建模為分段線性的，以有利于線性規劃。將發電機j的性 能曲線線性化可包括挑選在非線性曲線上的化插值點和這些點的吣子集。為了指定操作點， 可以選擇區域meMp以選取在它們之間進行插值的操作點。然后，可以將適當的權重分配 到每個操作點。為了有利于操作點的選擇和加權，可以定義如在表2中規定的各種輔助集。 [0112]仍然參看圖6，優化模塊422示出為包括決策變量模塊606。決策變量模塊606可以 被配置成存儲并管理在預測模型中使用的變量。下表3中提供了可以在預測模型中使用的 變量的列表：
[0115]在一些實施例中，唯一的自由決策變量是發電機的二進制開/關狀態Ujt、在效率曲 線上的點的權重zm、以及供應至庫存或從庫存取出的每種資源的量ykt。一旦這些變量已被 指定，等式約束條件就可以確定所有其它變量的值。在其它實施例中，開啟或關閉的 發電機的數目可以被選擇為自由變量來代替選擇<"和^、作為自由變量指定了每個發 電機應開啟或關閉的時間，而不是指定該發電機開啟或關閉的所有時間步長。庫存供應/取 出ykt可以被視為自由變量以考慮未滿足的負荷。然而，與未滿足的負荷相關聯的成本可被 設定得足夠高，使得當需求超出最大發電機容量和庫存取出率時庫存優化模塊422將僅選 擇包括未滿足負荷的解。變量zijt可以是S0S2類特殊有序集變量。例如，變量z ijt中的兩個的 最大值可以是非零的。如果zm中的兩個為非零的，則非零值可以是列表中的相鄰成員。有 利地，使用S0S2變量可以有利于非線性函數的分段線性逼近。
[0116]仍然參看圖6,優化模塊422示出為包括參數模塊608。參數模塊608可以被配置成 存儲并管理在預測模型中使用的參數。下表4中提供了可以在預測模型中使用的參數的列 表：
[0118]
[0119] 參數?$和每；可以被包括，使得可以在特定的時間防止特定的發電機動作（例如， 以防止由于在優化周期開始之前發生的切換事件而在優化周期內的較早時間步長處開啟/ 關閉發電機）。例如，如果類型f的發電機在優化周期開始之前的某個時間P<1被開啟，則 這樣的發電機可以保持開啟至少到時間￥ + 這可以通過設定％^ = 1來實現。
[0120] 存儲在參數模塊608中的一些參數可具有在T的范圍之外的下標，以便有利于各種 決策變量和參數的初始條件。例如，參數模塊608可以存儲參數u jQ(即，動態切換罰值的初始 條件)和SkQ(即，熱能存儲動態的初始條件）。下表5中提供了可以在預測模型中使用的邊界 和初始條件的列表：
[0122]仍然參看圖6,優化模塊422示出為包括約束模塊610。約束模塊610可以被配置成 存儲并管理在預測模型中使用的各種約束。在一些實施例中，約束模塊610存儲決策變量模 塊606中的決策變量的顯式邊界。例如，下表6中提供了決策變量的顯式邊界的列表：
[0124] 變量SkT的邊界（即，在優化周期結束處可存儲的資源k的量)可以實現周期或近周 期解的實施。例如，如果= ，則系統可以被約束為以相同量的存儲資源開始 和結束優化周期。備選地，如果= (回想SkQ<0))，則在優化 周期結束處存儲的資源的量可以被約束至在優化周期的開始處存儲的資源的量的25%內。 這些約束條件可以用來確保優化模塊422不會在有限的優化周期期間用完所有可用庫存。
[0125] 約束模塊610可以表述預測模型并將函數約束條件強加于預測模型。許多變量可 以由函數約束條件顯式界定，該約束條件補充表6中提供的顯式約束條件。例如，約束模塊 610可以強加以下約束條件：
[0126] 2 Σ
[0127] 該約束條件獲得從公用事業418購買每種資源k的成本。項pktpktA表示在優化周 期中的時間步長t處購買資源k的增量成本。項表示在需量費用時期w期間與資源 k的最大購買費率相關聯的需量費用。
[0128] 約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0129] € Κ,Ι € € w
[0130] 該約束條件確保變量對應于在適用的需量費用時期w期間的最高資源購買費 率。如果時間t落在資源k的需量費用時期w內，則參數Kktwe{〇，l}可以限定為1，否則為〇。以 這種方式限定K ktw確保變量？C在適用的需量費用時期w內僅受時間步長t影響。參數I表 示在時間步長t處對資源k的輔助需求(例如，建筑物的電力消耗等)并且被計入需量費用 中。
[0131] 約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0132] f??? ^；f Λ? :? #st / ^^￡<!f^ ￥>% € ??,：? € f
[0133] 該約束條件要求在每個時間步長t處每種資源k的資源總產量滿足對每種資源k的 需求。資源需求被定義為在每個時間步長t處進入區1的每種資源k的流量g lkt和需求(i>kt之 和。總和glkt是為了控制各個區1中的溫度而特別產生的需求。有利地，優化模塊422可以最 佳地確定總和glkt(例如，基于區溫度約束條件和用于建筑物區的溫度模型）而不是把 811^當 作固定的參數。參照區溫度模塊612更詳細地描述區溫度模型。
[0134] 資源產量被定義為在時間步長t處由發電機502生產的每種資源的量qjkt、從庫存 分配的每種資源的量ykt、從公用事業418購買的每種資源的量p kt和積壓的每種資源的量hkt 之和。變量hkt可以表示未滿足的需求，并且可以用作針對未能滿足需求的松弛變量。該方法 確保優化問題始終存在可行解，即使需求過高。在一些實施例中，該約束條件可以不是約束 性的，以便考慮到過量的供應(例如，如果產生過量的供應將妨礙對關閉發電機的需求）。在 其它實施例中，該約束條件可以是約束性的，以防止過量供應和/或過量生產。
[0135] 約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0136] 2/%縦欲 ％、' V'/ ε /X: Τ
[0137] 該約束條件造成優化模塊422挑選沿著每個發電機j的性能曲線的單個操作區域。 變量Vjmt指不發電機j在時間步長t處正在子域m中操作。變量Ujt為二進制開/關變量（即，Ujt e{0，l})，其指示在時間步長t處的發電機j的狀態。通過選取操作區域，根據下式，限定該 操作區域的操作點的權重允許為非零：
[0138] ^ ^ %???? Vj'\? Τ
[0139] 其中，變量Zjnt限定在時間步長t處沿著發電機j的性能曲線的點n的權重。因此，下 式確保選擇了有效的權重(例如，如果設備開啟，則所有權重之和為1;或者如果設備關閉， 則權重之和為0):
[0140] ^ 氣邱,ν'! ? /'、? e r
[0141 ]在一些實施例中，約束模塊610強加以下約束條件：
[0142] $f衫-kS對
[0143] 該約束條件通過將權重Zjnt乘以參數qknt中的權重來計算合適的資源產量qjkt。類 似地，約束模塊610可以強加以下約束條件： V
[0144] .??
[0145] 該約束條件計算負荷比rjt(例如，在0和1之間的數，假定當前負荷為最大負荷的一 部分），以打破由相同的發電機產生的模型對稱性。模型對稱性可能使優化模塊422對除了 在相同的發電機之間負荷的排列之外均相同的優化問題產生重復解。消除模型對稱性使優 化模塊422可以更快速地求解優化問題，并且沒有重復解。
[0146] 約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0147] ^ ^ <γ € I? ￡ € Γ
[0148] 該約束條件確定設備組i中的發電機j在時間步長t期間是否已開啟或關閉。發電 機在給定的時間步長t處的狀態ujt可以被定義為發電機在前一時間步長t-Ι處的狀態，并且 在發電機已開啟或關閉時適當地調整。
[0149] 在一些實施例中，約束模塊610強加以下約束條件：
[0150] r；i > r-f, /'v ~ mm{/· € /;：x jf > /}, ￥? € € /../maxtr' € /,}fi € I
[0151 ]該約束條件規定設備組i內的發電機j必須按指標j的遞增次序操作。例如，如果Ji ={1，3,4}，則此前的約束條件可能要求r3t彡rlt和r4t<r 3t，這確保發電機3在發電機1的水 平下或更低的水平操作，并且發電機4在發電機3的水平下或更低的水平操作。在一些實施 例中，分配給設備組中的各個發電機的指標值可以隨時間推移而調整(例如，改變將哪臺發 電機標示為發電機1、發電機3和發電機4)，以均衡在每臺發電機的壽命期內的耗損。備選 地，此前的公式可以替換為切換約束條件，該約束條件規定在每組中應開啟的發電機的總 數，而不是指定每臺發電機是否應獨立地開啟。
[0152]約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0155] 該約束條件確保一旦設備組i中的發電機j已被開啟/關閉，該發電機j至少在由參 數和指定的時間段保持相同的開/關狀態。例如，如果發電機j在此前的S+-1個時間步 長中的任一個期間被開啟，那么此前的約束條件可能要求優化模塊422將該發電機j保持在 開啟狀態。同樣，如果發電機j在此前的^-1個時間步長中的任一個期間被關閉，則發電機j 可能被保持在關閉狀態。在一些實施例中，這些約束條件分別對于或不是約束性 的。在一些實施例中，這些約束條件可以強加于每個組中的多個發電機，而不是單個發電 機。例如，對于由發電機1和2組成的組來說，如果發電機1在時間步長t處開啟，那么發電機1 和2中的至少一個可以在接下來的δ+個時間步長中保持開啟。
[0156] 約束模塊610可以強加限定預測模型的動態的各種約束條件。例如，約束模塊610 可以強加以下約束條件：
[0157] ? 4· (1 -- vk e Kft € τ
[0158] 該約束條件將在每個時間步長t存儲的每種資源k的量中的變化Skt考慮為從庫存 取出或添加到庫存的資源的量ykt和每單位時間△存儲的資源的分數損失 〇k的函數。該定義 允許將變量Skt的初始條件提供為參數skQ，而不是將第一決策變量 81約束為限定的值。可以 包括變量Sku-υ上的系數01{以模擬存儲的能量的耗散。如果熱能存儲裝置被完全絕緣，系數 〇k將具有1的值。如果熱能存儲裝置沒有被完全絕緣，熱能的耗散可被考慮為使用系數〇k< 1。約束模塊610可以強加類似的約束條件：
[0159] _b 工.kkt& + ￥k G t $三 T
[0160] 該約束條件將在時間步長t處的資源k的積壓量bkt考慮為每單位時間△的積壓量 的變化速率hkt和在前一時間步長t-Ι處的積壓量的函數。
[0161 ]在一些實施例中，約束模塊610強加以下約束條件：
[0163] 該約束條件模擬每個建筑物區1的溫度演變。變量flt表示在時間步長t處的建筑物 區1的溫度。每個建筑物區1的溫度fit被模擬為進入建筑物區1的每種資源k的流量gikt、進入 另一個建筑物區V的每種資源的流量、其它建筑物區1'的溫度λα、以及外部環境的 影響9 lt的函數。有利地，該約束條件允許空氣側優化問題和水側優化問題合并成由優化模 塊422執行的單個一體化的優化過程。參照區溫度模塊612更詳細地描述區溫度模型。
[0164] 約束模塊610可以強加以下約束條件：
[0165]
[0166] /；； > ? /,,, VIS IJ.&T
[0167] 該約束條件充當對區溫度flt的軟溫度約束條件。參數和分別為在時間步長 t處建筑物區1的溫度flt的上邊界和下邊界。只要區溫度在邊界內，.?和'的值就可以為 零。然而，如果區溫度在邊界之外，1?和S可以表示區溫度fit超出上邊界(60或小于下邊 界勺量。
[0168] 仍然參看圖6，優化模塊422示出為包括區溫度模塊612。區溫度模塊612可以存儲 建筑物10的一個或多個建筑物區1的溫度模型。溫度模型可以將一個或多個建筑物區的溫 度建模為進入區內的熱能資源（例如，加熱的空氣、激冷的空氣等）的流量、區的各種性質 (例如，質量、熱容量等）、相鄰區的溫度、以及外部環境的函數。有利地，溫度模型可以用作 由優化模塊4 2 2執行的優化過程中的約束條件，從而將空氣側優化問題和水側優化問題一 體化。這樣的一體化允許對每種熱能資源gklt的需求與優化問題中的其它變量一起被優化， 而不是獨立地估計對每種資源的需求并將估計的需求看作水側優化中的常數。
[0169]可以通過考慮單個區內的溫度的演變來開發區溫度模型。在不將任何熱能資源提 供至該區的情況下，區的溫度軌跡僅是該區與外部環境的相互作用的函數。例如，可以使用 下式來描述在不受控條件下區的溫度軌跡：
[0171] 其中，T為區的溫度(例如，區內的平均溫度），T°為外部環境的溫度，k為時間常數， mC為區的質量與其熱容量的乘積，并且礦為來自外部環境的直接熱傳遞(例如，來自太陽的 輻射、來自區之外的對流等）。
[0172] 為了控制區溫度，HVAC控制器402可以操作水側系統200和空氣側系統300以將熱 能資源提供至建筑物區。下式描述了在受控條件下區的溫度軌跡：
[0174] 其中，新項Q表示通過空氣側系統300強制進入或離開區的熱傳遞。可能有利的是 將區的溫度保持在預定的溫度范圍內（例如，T lc^T(t)彡Tup)。參數Tlci和Tup可以是隨時間變 化的，以限定在不同時間的不同的溫度范圍。HVAC控制器402可以操作水側系統200和空氣 側系統300以在所有時間t保持T 1。彡T (t)彡Tup。
[0175] 在此前的系統中，負荷分布Q(t)被估計并且作為水側優化問題的固定輸入提供。 假設存在生成負荷分布Q(t)的過程，參照模塊602-610描述的預測模型可以用來在最低成 本下滿足負荷分布Q(t)(例如，根據公用事業價格預測）。用來滿足負荷分布Q(t)的預測模 型可以被稱為設備調度模型。在此前的系統中，挑選負荷分布Q(t)的過程使用負荷預測模 型獨立地進行。然而，由于存在一系列可接受的區溫度(例如，T 1。^T(t) <Tup)，存在可由負 荷預測模型生成的多個有效的負荷分布Q(t)。如果負荷預測模型和設備調度模型是獨立 的，則不能確保所選的Q(t)會導致最低的總成本。
[0176] 有利地，優化模塊422將負荷預測模型與設備調度模型結合以生成單個一體化的 模型，該模型用于結合的空氣側和水側優化。例如，以上提供的溫度模型可如下式所示：
[0178]通過將零階保持器置于上并且在時間步長At內積分而被離散化。重排 模型的結果是：
[0180] 其中參數λ、θ(?)和ω被適當地定義。
[0181] 為了符合現有的設備調度模型的記法，變量ft可用來表示在時間步長t的結束處 的區的溫度，并且變量gkt可用來表示在時間步長t處進入建筑物區的資源k(例如，熱水、冷 水等)的流量。然后可將以下約束條件和可變邊界添加到設備調度模型：
[0182] Λ =於 er mK
[0183] ^ ^
[0184] O^gkt^Gk
[0185] 需求滿足約束條件也可以被修改，以考慮到新負荷gkt，如下式所示： V'v
[0186] 2^'又如.+ :? 'Hhi + 心之沴紅 + €- r m
[0187] 該約束條件為單個溫度區提供約束條件。
[0188] 在一些實施例中，對區溫度變量ft的剛性約束條件可以使模型變得不可行。通過 允許爲 < 尸產和/或爲> If"并在目標函數中對這樣的條件進行懲罰，可以放寬對ft的約束 條件。區溫度ft可被看作自由變量(例如，fteR，且沒有顯式邊界），并且可以添加以下約束 條件：
[0189] /f W 6 Γ
[0190] /j- > - ￥t € r
[0191] 其中，爲4 > 〇且爲~泛\目標函數可通過添加以下項來修改：
[0192] Σ('從、4，'/;')
[0193] 其中，、fff和??為懲罰系數。懲罰系數#和:Ι?可以是隨時間變化的，和/或足夠大， 使得溫度極限跨>和<#盡可能被滿足。
[0194] 在一些實施例中，區溫度模塊612存儲區溫度模型，該模型考慮多個建筑物區。區 可具有不同的溫度，并且可以彼此交換熱量。在建筑物區之間的相互作用導致以下能量平 衡：
[0196]其中，指標leL表示不同的區。該能量平衡可以以矩陣形式表達如下：
[0198] 其中，矩陣K被定義為使得Kir=kir-Sir(kl+I： leLkir)，矩陣Μ為對角矩陣，其第i 個元素為nuQ，并且為列向量，其第1個元素為匕。向量f、§和|。可各自具有1個元素。δ" 在1 = V時可具有一(1)的值，否則具有零(0)的值。
[0199] 多區溫度模型可被離散化如下：
[0200] f(".汾）=-4.(產…翁〈f Ν
[0201]對于其中矩陣K為不可逆(例如，K = 0)的情況來說，可以使用以下多區溫度模型：
[0204] 備選地，可以使用以下分塊公式計算展\
[0206]在該形式中，模型變為：
[0208] 其中 λη，得自 eKAt，cokll，得自并且 0lt 得自項貧C0kir ' 6 的k指標可以將前因子+1、-1或0添加到蔥^#4的（1，ν )元素，其中+1用于增加溫度的資源 (例如，熱水），-1用于降低溫度的資源(例如，冷水），并且0用于不影響溫度的資源(例如，電 力)。
[0209] 在一些實施例中，區溫度模塊612使用溫度模型，該模型考慮建筑物區內不同類型 的質量。例如，溫度模型可以獨立地考慮區內的固態物體和區內的空氣的質量。對于單個區 來說，這導致以下擴展的能量平衡，該平衡包括空氣溫度!^ 11:和固體溫度Tscll:
[0212] 其中，|為在區內的空氣和固態物體之間的熱傳遞系數，并且#為從環境進入固 體的直接熱傳遞。傳導項-ΜΤ^-Γ)被包括在固體溫度演變公式中以表示發生在外部環境 和建筑物區的固體壁之間的熱傳遞。空氣和固體兩者都具有直接熱傳遞項（即，分別為9°和 #，，而來自空氣處理器的熱流Q僅出現在空氣公式中。
[0213] 上述公式可以以向量形式表達如下：
[0215] 多區溫度模型也可以通過指定特定的參數值而將每個區建模為多個子區。例如， 可以為表示固體的任何區1指定參數Gkl = 0。也可以為表示固體的任何區1指定參數··- 0 和α,以確保對于固體來說溫度違背不被懲罰。每個區可包括任意數目的相聯的子區， 因為總模型仍為相互作用的一階區的系統。不同類型的區（例如，空氣區、固體區、包含在其 它區內的區、與其它區交界的區等)可以通過描述每個區的參數來限定和區分。
[0216] 仍然參看圖6,優化模塊422示出為包括線性優化模塊614。線性優化模塊614可以 在由模塊610-612強加的優化約束條件下使用多種線性優化技術中的任一種來解決由優化 框架模塊602表述的優化問題。在一個示例性實施例中，線性優化模塊614使用混合整數線 性規劃。在各種其它實施例中，線性優化模塊614可以使用基交換算法(例如，單純形、十字 形等）、內點算法(例如，橢球、投影、路徑跟蹤等）、包蓋算法、整數規劃算法(例如，割平面 (cutting-plant)、分枝定界、分枝剪枝、分支價格等）、或任何其它類型的線性規劃算法或 技術以解決在優化約束條件下的優化問題。
[0217]線性優化模塊614可以在優化周期中的每個時間步長處確定參照決策變量模塊 606描述的決策變量的最佳值。由線性優化模塊614優化的變量可包括例如從公用事業418 購買的每種資源的量、發電機502對每種資源的凈生產率、從庫存取出或供應至庫存的每種 資源的量、每種資源的凈庫存、積壓的每種資源的量、每種資源的積壓量的變化速率、和/或 與資源消耗量、資源產量、資源庫存或資源購買有關的其它變量。線性優化模塊614也可以 優化建筑物區的溫度和進入建筑物區的每種資源的流量。線性優化模塊614可以確定發電 機502中的每一個的最佳二進制開/關狀態、在每個時間步長期間開啟/關閉的發電機502的 數量、以及發電機502中的每一個的負荷比或操作設定點。線性優化模塊614可以為每個發 電機502沿著性能曲線選擇操作區域，并且使用所選的操作區域來確定發電機502的開/關 狀態和負荷比。
[0218]線性優化模塊614可以確定使目標函數最小化的決策變量的值：
[0220] 其中，技#為從公用事業418購買資源的成本，并且項vkSkT表示對應于在優化周期 結束時存儲的資源的半顯性利潤。目標函數可包括:項&bkt，其表示在優化周期中的每個時 間步長t處針對每種積壓的資源k而強加的成本;項其表示在優化周期中的 每個時間步長t期間針對對來自組i的發電機在開啟和關閉狀態之間切換而強加的成本；以 及項+ 其表示在優化周期中的每個時間步長t期間針對未能將建筑物區1內的 溫度保持在可接受的邊界內而強加的成本。線性優化模塊614可以優化在參照約束模塊610 所述的優化約束條件下的目標函數。
[0221] 仍然參看圖6,優化模塊422示出為包括非線性優化模塊616。在一些實施例中，非 線性優化模塊616用來調整在由線性優化模塊614執行的線性優化中的誤差(例如，由于非 線性性能曲線的線性化導致的誤差）。非線性優化模塊616可以從線性優化模塊614接收設 備開/關狀態和負荷比。非線性優化模塊616也可以接收由線性優化模塊614確定的資源生 產速率和溫度。非線性優化模塊616可以細化設備開/關狀態、負荷比、資源生產速率和/或 溫度，以便優化在優化周期中的每個時間步長處的瞬時資源消耗速率。
[0222] 在一些實施例中，非線性優化模塊616使用二進制優化和二次補償來細化設備開/ 關和操作設定點。二進制優化可以使表示設備組或子設施的資源消耗量的成本函數最小 化，以產生給定的負荷。在一些實施例中，使用不完全的（即，未考慮裝置的所有潛在組合） 二進制優化。二次補償可以用于其資源消耗量為二次的（或者說是非線性的）設備。非線性 優化模塊616也可以使用非線性優化確定設備的最佳操作設定點。非線性優化可以識別使 目標函數進一步最小化的操作設定點。在一些實施例中，由非線性優化模塊616執行的非線 性優化與在2015年2月27日提交的標題為"Low Level Central Plant Optimization"的美 國專利申請號14/634,615中描述的低層次優化過程相同或類似。美國專利申請號14/634， 615的全部公開內容以引用方式并入本文中。
[0223] 在一些實施例中，非線性優化模塊616基于發電機502的容量來調整設備開/關決 策和操作設定點并且滿足能量和質量平衡。非線性優化模塊616可以在不考慮系統動力學 的情況下執行非線性優化。優化過程可以足夠慢，以安全地假設設備控制已達到其穩定狀 態。因此，非線性優化模塊616可以在某一時間而不是在長的期限內確定最佳控制決策。非 線性優化模塊616可以將開/關決策和設定點提供至水側系統200和空氣側系統300以用于 控制設備412-414。
[0224] 再次參看圖4,優化模塊422示出為包括操作組分解模塊438。操作組分解模塊438 可以將操作點分配到設備組內的各個裝置，以便滿足必須由設備組滿足的總負荷。一旦確 定開/關狀態和必須由發電機502中的每一個滿足的總負荷，分配各個操作點的任務就可以 是獨立的子問題。例如，如果存在必須滿足某個總負荷Q的兩個開啟的激冷器，則激冷器可 以被設定為分別在單獨的負荷qi和q2下操作，使得qi+q2 = Q。沒有其它約束條件依賴于該選 擇，因此它可以被獨立地處理。在一些實施例中，操作組分解模塊438將該問題作為離線參 數問題求解，并且將解直接插入預測模型中。
[0225] 在一些實施例中，操作組分解模塊438修改優化問題以將集合Ji限定為"操作模 式"的集合，而不是各個發電機的集合。集合上可包括針對設備組中的每個裝置的一種操作 模式。例如，如果設備組i包括三個激冷器，則J!可以被限定為·1 1={1〇11，2〇11，3〇11}，以指示激 冷器中的每一個都是開啟的。操作組分解模塊438可以合并設備組中的裝置中的每一個的 性能曲線，以生成表示設備組的總資源消耗量/產量的性能曲線。如果各個設備性能曲線是 相同的凸函數，那么設備組中的所有發電機的最佳配置是在相同的負荷下操作。在每個時 間步長處，操作組分解模塊438可以為每組發電機選擇操作模式。利用此修改，設備負荷比 約束條件(即，可以被替換為以下約束條件：
[0226] V'j E I, t € T ^ 。
[0227] 在一些實施例中，操作組分解模塊438修改切換約束條件。例如，操作組分解模塊 438可以將新參數山限定為當所述組以模式j操作時操作組i中開啟的裝置的數目。操作組 分解模塊438也可以將參數?/廠& = maXwC/jg定為在操作組i中的裝置的最大數目。這些 參數可以被添加到由約束模塊610強加的約束條件，如下所示：
[0231] 由于ujt為用于指示在時間t處正使用的操作模式j的二進制變量，乘積山1^給出在 時間t處正使用的發電機的數目，這是約束條件初始表述的方式。
[0232] 現在參看圖7A-B，示出了根據一個示例性實施例的兩個性能曲線700和710。性能 曲線700和710可以由性能曲線模塊420生成和/或存儲，如參照圖4所述。性能曲線700和710 將裝置或一組裝置(例如，子設施202-210中的一個)的資源使用量限定為負荷的函數。每個 性能曲線可以是針對特定設備組i或發電機j和由設備組或發電機使用的特定類型的資源 的。例如，性能曲線700可以將激冷器子設施206的電力使用量702限定為激冷器子設施206 上的負荷704的函數，而性能曲線710可以將激冷器子設施206的水使用量706限定為激冷器 子設施206上的負荷704的函數。每個設備組和/或發電機可具有一個或多個性能曲線（例 如，所消耗的每種類型的資源各一個）。
[0233] 在一些實施例中，性能曲線模塊420通過將各個裝置的設備模型合并為設備組的 總曲線來生成性能曲線700和710。在其它實施例中，操作組分解模塊438通過針對若干不同 的負荷值運行操作組分解過程以生成多個數據點而生成性能曲線700和710。操作組分解模 塊438可以將曲線擬合到數據點以生成性能曲線。在一些實施例中，性能曲線700和710接收 自裝置制造商或以其它方式從外部數據源獲得。
[0234] 現在參看圖8,示出了根據一個示例性實施例的另一個性能曲線800。性能曲線800 將激冷器子設施206的電力使用量限定為激冷器子設施206的冷水產量的函數。類似于性能 曲線800的其它性能曲線可以限定其它設備組的資源消耗和生產速率。在一些實施例中，通 過合并激冷器子設施206的各個裝置(例如，各個激冷器、栗等)的性能曲線來生成性能曲線 800。例如，子設施206中的每個激冷器可具有裝置特定的性能曲線，該曲線將由激冷器使用 的電力的量限定為激冷器上的負荷的函數。許多裝置在較高負荷下較低效地操作，并且具 有為負荷的非線性函數的裝置特定的性能曲線。因此，合并多個裝置特定的性能曲線以形 成性能曲線800可以導致具有一個或多個波浪802的非凸形性能曲線800,如圖8所示。波浪 802可由離散的切換事件造成，例如，在更高效地開啟另一個裝置以滿足子設施負荷之前單 個裝置的升負荷。
[0235] 現在參看圖9,示出了根據一個示例性實施例的線性化的性能曲線900。性能曲線 900將激冷器子設施206的電力使用量限定為激冷器子設施206的冷水產量的函數。類似于 性能曲線900的其它性能曲線可以限定其它設備組的資源消耗和生產速率。性能曲線900可 以通過將子設施曲線800轉化為線性化的凸形曲線而生成。凸形曲線是這樣的曲線:其中連 接曲線上的任意兩點的線始終在曲線的上方或沿著曲線（即，不在曲線的下方）。在優化問 題中使用凸形曲線可能是有利的，因為相對于使用非凸函數的優化過程，其能夠實現計算 費用較低的優化過程。
[0236] 在一些實施例中，性能曲線900由性能曲線模塊420生成，如參照圖4所述。通過生 成逼近性能曲線600的多個線性區段（即，區段902、904和906)并將線性區段合并成分段限 定的線性化凸形曲線900,可以形成性能曲線900。線性化的性能曲線900示出為包括:第一 線性區段902,其將點[u^Qi]連接到點[u 2，Q2];第二線性區段904,其將點[u2，Q2]連接到點
[113,03];以及第三線性區段906，其將點[113,0 3]連接到點[114,04]。線區段902-906的端點可 以用來形成約束條件，該約束條件要求優化模塊422選擇特定的操作區域（例如，線區段 902-902中的一個）以用于優化過程中。
[0237] 現在參看圖10,示出了根據一個示例性實施例的多維性能曲線1000。性能曲線 1000可以作為四維空間中的二維表面存在，圖10中示出了其中的三個維度。性能曲線1000 可以限定在兩個或更多個獨立控制的決策變量和一個或多個因變量之間的關系。例如，性 能曲線1000將激冷器(例如，激冷器232中的一個）的電力使用量W限定為激冷器上的負荷Q 和激冷器供水溫度Tows的函數。性能曲線1000也可以將激冷器(未示出）的耗水量限定為激 冷器上的負荷Q和激冷器供水溫度Tows的函數。類似于性能曲線1000的其它性能曲線可以 限定其它和/或設備組的資源消耗和生產速率。
[0238] 性能曲線1000示出為由在操作區域1002的頂點處的操作點1004限定的一系列三 角形操作區域1002。雖然僅標出操作區域中的幾個，但應當理解，每個三角形都表示操作區 域，并且三角形的每個頂點都表示操作點。操作點1004可以用來形成約束條件，該約束條件 要求優化模塊422選擇特定的操作區域1002以用于優化過程中。
[0239] 現在參看圖11，示出了根據一個示例性實施例的用于優化和控制包括水側系統和 空氣側系統兩者的HVAC系統的過程1100的流程圖。在一些實施例中，過程1100由HVAC控制 系統(例如，HVAC控制系統400)執行以優化水側系統(例如，水側系統120、水側系統200)和 空氣側系統(例如，空氣側系統130、空氣側系統300)兩者的性能。有利地，過程1100使用一 體化的空氣側/水側優化來同時確定空氣側系統和水側系統兩者的控制輸出。
[0240] 過程1100示出為包括執行一體化的空氣側/水側優化過程以同時確定水側系統和 空氣側系統兩者的控制輸出（步驟1102)。在一些實施例中，步驟1102由優化模塊422執行， 如參照圖4-6所述。步驟1102可包括優化預測成本模型，該模型在一組優化約束條件下預測 由水側系統消耗的一種或多種資源的成本。優化過程可以使用線性規劃來最小化在限定的 優化周期內操作水側系統和空氣側系統兩者的總成本。在一些實施例中，優化過程為水側 HVAC設備和空氣側HVAC設備兩者確定開/關狀態和操作設定點。優化過程還可確定在優化 周期內的每個時間步長處由水側系統消耗、生產、存儲和/或遞送至建筑物的每種資源的 量。
[0241] 有利地，優化約束條件可包括建筑物的溫度演化模型。溫度演化模型可以將建筑 物的溫度作為由水側系統提供至建筑物的一種或多種熱能資源的函數進行預測。優化約束 條件還可包括建筑物的溫度約束條件。一體化的空氣側/水側優化過程可用來同時確定建 筑物滿足溫度約束條件所需的熱能資源的量和用于讓水側系統為建筑物生產所需量的熱 能資源的控制輸出這兩者。優化過程也可以確定為了允許水側系統為建筑物生產所需量的 熱能資源而必須從公用事業提供者購買的資源的量。參照圖12更詳細地描述步驟1102。
[0242] 仍然參看圖11，過程1100示出為包括:將控制輸出提供至水側系統和空氣側系統 (步驟1104);在水側系統處使用控制輸出來控制水側HVAC設備(步驟1106);以及消耗來自 公用事業提供者的一種或多種資源來在水側系統處生成加熱或激冷的流體(步驟1108)。控 制輸出可包括例如設備開/關狀態、設備設定點、由設備消耗或生產的每種資源的量、資源 生產或消耗速率、或可用來控制HVAC設備的任何其它參數。使用控制輸出來控制HVAC設備 可包括根據控制輸出操作HVAC設備(例如，在限定的負荷下操作裝置、操作裝置以生產限定 量的熱能資源、開啟/關閉裝置、實現HVAC裝置的設定點等）。
[0243] 在各種實施例中，步驟1108可以由水側系統120和/或水側系統200執行。步驟1108 可包括從公用事業提供者接收諸如天然氣、水、電力等的資源。資源可以用作水側系統的 HVAC設備（即，水側HVAC設備，例如激冷器、栗、加熱器、熱回收激冷器等）的輸入并且由水側 HVAC設備使用以生產加熱或激冷的流體。例如，水側系統的激冷器可以消耗水和電力以生 產激冷水。水側系統的加熱器可以消耗水和天然氣以生產加熱的水。在一些實施例中，加熱 或激冷的流體中的一些存儲在熱能存儲裝置中以供后續使用。水側系統將加熱或激冷的流 體提供至空氣側系統。
[0244] 過程1100示出為包括:在空氣側系統處使用控制輸出來控制空氣側HVAC設備（步 驟1110);以及在空氣側系統處使用加熱或激冷的流體來加熱或冷卻提供至建筑物的供應 空氣流(步驟1112)。在各種實施例中，步驟1112可以由空氣側系統130和/或空氣側系統300 執行。步驟1112可包括從水側系統接收加熱或激冷的流體并且將流體傳遞通過暴露于供應 空氣流的加熱盤管或冷卻盤管，如參照圖3所述。供應空氣流可以經由空氣分配系統提供至 建筑物，以加熱或冷卻建筑物。
[0245] 在一些實施例中，過程1100迭代地執行。例如，步驟1106和1110可以分別與步驟 1108和1112至少部分地重疊。在步驟1108中，可以根據在過程1100的前一迭代中確定的控 制輸出來控制水側HVAC設備。類似地，可以在步驟1112中根據在過程1100的前一迭代中確 定的控制輸出來控制空氣側HVAC設備。對于過程1100的每個迭代來說，用于在過程1100的 下一迭代中使用的控制輸出可以被確定并提供至空氣側系統和水側系統。
[0246] 現在參看圖12,示出了根據一個示例性實施例的用于執行一體化的空氣側/水側 優化的過程1200的流程圖。過程1200可以用來實現過程1100的步驟1102,并且可以由優化 模塊422執行，如參照圖4-6所述。
[0247] 過程1200示出為包括接收優化周期的公用事業費率和天氣預報(步驟1202)。天氣 預報可包括針對建筑物的地理位置的當前或預測的溫度、濕度、壓力、和/或其它與天氣有 關的信息。公用事業費率可以指示在優化周期內的每個時間步長處由公用事業提供的每單 位資源(例如，電力、天然氣、水等）的成本或價格。在一些實施例中，公用事業費率是隨時間 變化的費率。例如，電力的價格可能在一天中的某些時間或一周中的某些天(例如，在高需 求時期期間）較高，并且在一天中的其它時間或一周中的某些天(例如，在低需求時期期間） 較低。公用事業費率可以限定各個時間段和在每個時間段期間的每單位資源的成本。公用 事業費率可以是從公用事業提供者接收的實際費率或預測的公用事業費率。
[0248] 在一些實施例中，公用事業費率包括由公用事業提供者供應的一種或多種資源的 需量費用。需量費用可以基于在需量費用時期期間特定資源的最大使用量（例如，最大能 耗)限定由公用事業提供者強加的單獨的成本。公用事業費率可以限定各種需量費用時期 和與每個需量費用時期相關聯的一個或多個需量費用。在一些情況下，需量費用時期可以 彼此和/或與預測窗口部分地或完全地重疊。公用事業費率可以由隨時間（例如，按小時)變 化的價格來限定，在電力的情況中由需量費用或在某個時期內的峰值消耗速率的費用來限 定。在一些實施例中，步驟1108包括為公用事業中的每一種接收最大服務水平(例如，物理 基礎設施或合同允許的最大消耗速率）。
[0249] 過程1200示出為包括接收來自空氣側系統和水側系統的輸入(步驟1204)。來自空 氣側系統和水側系統的輸入可包括測量值和可用性信息。測量值可以基于從分布在水側系 統、空氣側系統和/或建筑物中各處的各種傳感器(例如，溫度傳感器、濕度傳感器、空氣流 傳感器、電壓傳感器等)接收的輸入。這樣的測量值可包括例如加熱的流體的供應和回流溫 度、激冷的流體的供應和回流溫度、建筑物的溫度、供應空氣的溫度、回流空氣的溫度、和/ 或由HVAC控制系統監測、控制或影響的其它值。在一些實施例中，步驟1204包括從建筑物接 收指示該建筑物的耗電量的電負荷信息。
[0250] 可用性信息可以指示HVAC設備的當前操作狀態(例如，開/關狀態、操作設定點等） 以及HVAC設備用于服務于加熱或冷卻負荷的可用容量。可用性信息可能涉及水側系統的設 備（例如，加熱元件220、激冷器232、熱回收激冷器226、冷卻塔238、栗222、224、228、230、 234、236、240、熱的熱能存儲箱242、冷的熱能存儲箱244等），如參照圖2所述。可用性信息也 可能涉及空氣側系統的可操作設備(例如，風扇338、擋板316-320、閥346和352、致動器324-328和352-354等），如參照圖3所述。
[0251] 在一些實施例中，HVAC設備的各個裝置可由HVAC控制器開啟或關閉以調整由每個 裝置服務的熱能負荷。在一些實施例中，HVAC設備的各個裝置可根據從HVAC控制器接收的 操作設定點以可變的容量操作(例如，在10%容量或60%容量下操作激冷器）。與HVAC設備 有關的可用性信息可以識別設備的最大操作容量、設備的當前操作容量、和/或用于生成用 來服務于加熱或冷卻負荷(例如，熱水、冷水、空氣流等)的資源的設備的可用(例如，當前未 使用的)容量。
[0252] 仍然參看圖12,過程1200示出為包括優化預測成本模型（步驟1206)，該模型在建 筑物溫度約束條件下預測由水側系統消耗的一種或多種資源的成本。在一些實施例中，步 驟1206由線性優化模塊614執行，如參照圖6所述。步驟1206可包括使用在一組優化約束條 件下的線性規劃來最小化在優化周期內操作空氣側系統和水側系統的總成本。在一個示例 性實施例中，步驟1206包括使用混合整數線性規劃。在各種其它實施例中，步驟1206可包括 使用基交換算法(例如，單純形、十字形等）、內點算法(例如，橢球、投影、路徑跟蹤等）、包蓋 算法、整數規劃算法(例如，割平面(cutting-plant)、分枝定界、分枝剪枝、分支價格等）、或 任何其它類型的線性規劃算法或技術以解決在優化約束條件下的優化問題。
[0253] 有利地，優化約束條件可包括建筑物的溫度演化模型。溫度演化模型可以將建筑 物的溫度作為由水側系統提供至建筑物的一種或多種熱能資源的函數進行預測。優化約束 條件還可包括建筑物的溫度約束條件。步驟1206可用來同時確定建筑物滿足溫度約束條件 所需的熱能資源的量和用于讓水側系統為建筑物生產所需量的熱能資源的控制輸出這兩 者。步驟1206也可以確定為了允許水側系統為建筑物生產所需量的熱能資源而必須從公用 事業提供者購買的資源的量。
[0254] 在一些實施例中，步驟1206包括在優化周期中的每個時間步長處確定參照決策變 量模塊606描述的決策變量的最佳值。在步驟1206中優化的變量可包括例如從公用事業418 購買的每種資源的量、發電機502對每種資源的凈生產率、從庫存取出或供應至庫存的每種 資源的量、每種資源的凈庫存、積壓的每種資源的量、每種資源的積壓量的變化速率、和/或 與資源消耗量、資源產量、資源庫存或資源購買有關的其它變量。步驟1206也可包括優化建 筑物區的溫度和進入建筑物區的每種資源的流量。步驟1206可包括確定發電機502中的每 一個的最佳二進制開/關狀態、在每個時間步長期間開啟/關閉的發電機502的數量、以及發 電機502中的每一個的負荷比或操作設定點。步驟1206可包括為每個發電機502沿著性能曲 線選擇操作區域，并且使用所選的操作區域來確定發電機502的開/關狀態和負荷比。
[0255]在一些實施例中，步驟1206包括確定使目標函數最小化的決策變量的值：
[0257] 其中，為從公用事業418購買資源的成本，并且項vkSkT表示對應于在優化周期 結束時存儲的資源的半顯性利潤。目標函數可包括:項&bkt，其表示在優化周期中的每個時 間步長t處針對每種積壓的資源k而強加的成本;項μLρ'Ι + 其表示在優化周期中的每 個時間步長t期間針對在開啟和關閉狀態之間切換來自組i的發電機而強加的成本;以及項 + 二其表示在優化周期中的每個時間步長t期間針對未能將建筑物區1內的溫度 保持在可接受的邊界內而強加的成本。步驟1206可包括優化在參照約束模塊610所述的優 化約束條件下的目標函數。步驟1206可包括確定HVAC設備的主要設備設定點。
[0258] 仍然參看圖12，過程1200示出為包括優化HVAC設備的資源消耗的瞬時速率(步驟 1208)。在一些實施例中，步驟1208由非線性優化模塊616執行，如參照圖6所述。步驟1208可 以用來對在步驟1206中執行的線性優化中的誤差(例如，由于非線性性能曲線的線性化中 的誤差導致)進行調整。步驟1208可包括接收來自步驟1206的主要設備設定點（例如，設備 開/關狀態和負荷比）。步驟1208也可包括接收在步驟1206中確定的資源生產速率和溫度。 步驟1208可包括調整設備開/關狀態、負荷比、資源生產速率和/或溫度，以便優化在優化周 期中的每個時間步長處的瞬時資源消耗速率。
[0259] 在一些實施例中，步驟1208包括使用二進制優化和二次補償來調整設備開/關和 操作設定點。二進制優化可以使表示設備組或子設施的資源消耗量的成本函數最小化，以 產生給定的負荷。在一些實施例中，使用不完全的（即，未考慮裝置的所有潛在組合)二進制 優化。二次補償可以用于其資源消耗量為二次的（或者說是非線性的）設備。步驟1208也可 包括使用非線性優化確定設備的最佳操作設定點。非線性優化可以識別使目標函數進一步 最小化的操作設定點。在一些實施例中，在步驟1208中執行的非線性優化與在2015年2月27 日提交的標題為"Low Level Central Plant Optimization"的美國專利申請號14/634， 615中描述的低層次優化過程相同或類似。
[0260]在一些實施例中，步驟1208包括基于發電機502的容量來調整設備開/關決策和操 作設定點并且滿足能量和質量平衡。步驟1208可包括在不考慮系統動力學的情況下執行非 線性優化。優化過程可以足夠慢，以安全地假設設備控制已達到其穩定狀態。因此，步驟 1208可包括在某一時間而不是在長的期限內確定最佳控制決策。
[0261] 仍然參看圖12,過程1200示出為包括將設備設定點分發到HVAC設備(步驟1210)和 使用經驗數據更新性能曲線(步驟1212)。步驟1210可包括根據在步驟1206中確定的主要設 備設定點和/或在步驟1208中確定的次要設備設定點來操作HVAC設備。HVAC設備可以被允 許在分發的設定點下操作一段時間。當設備在分發的設定點下操作的同時，可以獲得性能 測量值。性能測量值提供經驗數據，該數據描述設備的實際性能，并且可以在步驟1212中使 用以更新性能曲線。在一些實施例中，步驟1212包括基于新性能數據更新性能曲線的回歸 系數。更新的回歸系數和/或新性能數據可以用來重新線性化性能曲線，以用于在線性優化 過程中使用。
[0262] 在一些實施例中，過程1200被迭代地重復(例如，以每個新的時間步長、對于在優 化周期中的時間步長的子集來說周期性地等）。例如，在執行步驟1212之后，過程1200可以 返回至步驟1206。步驟1206-1212可以被迭代地重復，以適應更新的模型參數和/或新的經 驗數據。當重復步驟1206時，可以使用在前一迭代的步驟1212中生成的更新的性能曲線來 執行線性優化過程。過程1200可以接著繼續如前所述步驟1208-1212。
[0263] 在各個示例性實施例中示出的系統和方法的構造和布置僅僅是說明性的。雖然在 本公開中僅詳細描述了幾個實施例，但許多修改是可能的（例如，各種元件的大小、尺寸、結 構、形狀和比例、參數的值、安裝布置、材料的使用、色彩、取向等的變化）。例如，元件的位置 可以顛倒或以其它方式改變，并且離散的元件或位置的性質或數目可以更改或改變。相應 地，所有這樣的修改旨在包括在本公開的范圍內。任何過程或方法步驟的順序或次序可以 根據備選實施例改變或重新排序。在不脫離本公開的范圍的情況下，可以在示例性實施例 的設計、操作條件和布置中做出其它替換、修改、變化和省略。
[0264] 本公開設想出在任何機器可讀介質上用于實現各種操作的方法、系統和程序產 品。本公開的實施例可以使用現有的計算機處理器或由為此目的或另一目的并入的用于合 適的系統的專用計算機處理器或由硬連線的系統實施。在本公開的范圍內的實施例包括包 含機器可讀介質的程序產品，以用于執行機器可執行的指令或數據結構或將所述指令或數 據結構存儲在其上。這樣的機器可讀介質可以是任何可用介質，其可由通用或專用計算機 或具有處理器的其它機器訪問。舉例來說，這樣的機器可讀介質可包括RAM、R0M、EPR0M、 EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲裝置、磁盤存儲裝置或其它磁性存儲裝置、或任何其它介 質，該介質可用來執行或存儲機器可執行指令或數據結構形式的所需程序代碼，并可由通 用或專用計算機或具有處理器的其它機器訪問。當在網絡或另一通信連接(硬連線的、無線 的、或硬連線的或無線的組合)上傳遞信息或將信息提供至機器時，機器將該連接適當地看 作機器可讀介質。因此，任何這種連接被適當地稱為機器可讀介質。上述的組合也包括在機 器可讀介質的范圍內。機器可執行指令包括例如使通用計算機、專用計算機或專用處理機 器執行某些功能或一組功能的指令和數據。
[0265] 雖然附圖示出了特定次序的方法步驟，但步驟的次序可以與所描繪的不同。另外， 兩個或更多個步驟可以同時地或部分同時地執行。這樣的變型將取決于所選擇的軟件和硬 件系統以及設計者的選擇。所有這樣的變型都在本公開的范圍內。同樣，可以利用具有基于 規則的邏輯和其它用以完成各種連接步驟、處理步驟、比較步驟和決策步驟的邏輯的標準 編程技術來實現軟件實施。
【主權項】
1. 一種用于建筑物的采暖通風或空調(HVAC)系統，所述HVAC系統包括： 水側系統，所述水側系統包括水側HVAC設備，所述水側HVAC設備被配置成消耗來自公 用事業提供者的一種或多種資源以生成加熱的和/或激冷的流體； 空氣側系統，所述空氣側系統包括空氣側HVAC設備，所述空氣側HVAC設備被配置成接 收來自所述水側系統的所述加熱的和/或激冷的流體并且使用所述加熱的和/或激冷的流 體來對提供至所述建筑物的供應空氣流進行加熱和/或冷卻；以及 HVAC控制器，所述HVAC控制器被配置成接收來自所述水側系統和所述空氣側系統這兩 者的輸入并且執行一體化的空氣側/水側優化過程以同時確定所述水側HVAC設備和所述空 氣側HVAC設備這兩者的控制輸出，其中，執行所述一體化的空氣側/水側優化過程包括在優 化約束條件下使用預測成本模型來對由所述水側系統消耗的所述一種或多種資源的成本 進行優化，所述優化約束條件包括所述建筑物的溫度約束條件； 其中，所述HVAC控制器被配置成將所述控制輸出提供至所述水側系統和所述空氣側系 統以用于控制所述水側HVAC設備和所述空氣側HVAC設備。2. 根據權利要求1所述的HVAC系統，其中： 所述優化約束條件包括所述建筑物的溫度演化模型;并且 所述HVAC控制器被配置成使用所述溫度演化模型來將所述建筑物的溫度作為由所述 水側系統提供至所述建筑物的一種或多種熱能資源的函數進行預測。3. 根據權利要求1所述的HVAC系統，其中，所述HVAC控制器被配置成通過使用單一優化 來同時確定以下兩者來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程： 所述建筑物滿足所述溫度約束條件所需的熱能資源的量；以及 用于讓所述水側系統為所述建筑物生產所述所需量的熱能資源的控制輸出。4. 根據權利要求1所述的HVAC系統，其中，所述HVAC控制器被配置成通過使用單一優化 來同時確定以下兩者來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程： 所述建筑物滿足所述溫度約束條件所需的熱能資源的量；以及 為了允許所述水側系統為所述建筑物生產所述所需量的熱能資源而必須從所述公用 事業提供者購買的所述一種或多種資源的量。5. 根據權利要求4所述的HVAC系統，其中： 所述HVAC控制器被配置成通過訪問所述水側HVAC設備的性能曲線來確定必須從所述 公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量;并且 所述性能曲線限定了由所述水側HVAC設備生產的熱能資源和為了生產所述熱能資源 而必須由所述水側HVAC設備消耗的一種或多種資源之間的關系。6. 根據權利要求5所述的HVAC系統，其中： 所述性能曲線為至少三維的，并且在每個時間為所述水側HVAC設備中的每個裝置將由 所述水側HVAC設備生產的所述熱能資源的量作為至少兩個輸入變量的函數進行限定;并且 所述HVAC控制器被配置成通過在每個時間為所述水側HVAC設備中的每個裝置獨立地 調整所述至少兩個輸入變量來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程以優化所述預測成 本模型。7. 根據權利要求5所述的HVAC系統，其中： 所述水側HVAC設備包括激冷器;并且 所述性能曲線將由所述激冷器生產的所述熱能資源的量作為在所述激冷器上的負荷 和由所述激冷器生產的所述激冷的流體的溫度兩者的函數進行限定。8. 根據權利要求5所述的HVAC系統，其中，所述HVAC控制器被配置成通過將非凸形性能 曲線轉化為包括多個分段線性區段的凸形性能曲線來生成所述性能曲線。9. 根據權利要求1所述的HVAC系統，其中，所述HVAC控制器被配置成： 通過確定所述控制輸出來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程，所述控制輸出在 包括多個離散的時間步長的優化周期內優化所述預測成本模型;并且 在所述一體化的空氣側/水側優化過程之后執行第二優化過程，以調整所述控制輸出， 從而優化資源消耗的瞬時速率。10. 根據權利要求9所述的HVAC系統，其中，所述HVAC控制器被配置成： 使用所述水側HVAC設備的線性規劃和線性化的性能曲線來執行所述一體化的空氣側/ 水側優化過程，以在所述優化周期內優化所述控制輸出;并且 使用所述水側HVAC設備的非線性規劃和非線性的性能曲線來執行所述第二優化過程， 以針對所述線性化的性能曲線中的誤差進行調整。11. 根據權利要求1所述的HVAC系統，其中，所述水側系統包括熱能存儲裝置，所述熱能 存儲裝置被配置成存儲由所述水側HVAC設備生產的熱能資源以供后續使用。12. -種用于建筑物HVAC系統的預測成本優化系統，所述建筑物HVAC系統被配置成使 用水側系統和空氣側系統這兩者來對提供至所述建筑物的供應空氣流進行加熱和/或冷 卻，所述預測成本優化系統包括： HVAC控制器，所述HVAC控制器被配置成接收來自所述水側系統和所述空氣側系統這兩 者的輸入并且執行一體化的空氣側/水側優化過程以同時確定所述水側系統和所述空氣側 系統這兩者的控制輸出，其中，執行所述一體化的空氣側/水側優化過程包括在優化約束條 件下使用預測成本模型來優化由所述水側系統消耗的所述一種或多種資源的成本，所述優 化約束條件包括所述建筑物的溫度約束條件； 其中，所述HVAC控制器被配置成將所述控制輸出提供至所述水側系統用于控制水側 HVAC設備，以及提供至所述空氣側系統用于控制空氣側HVAC設備。13. 根據權利要求12所述的預測成本優化系統，其中： 所述優化約束條件包括所述建筑物的溫度演化模型;并且 所述HVAC控制器被配置成使用所述溫度演化模型來將所述建筑物的溫度作為由所述 水側系統提供至所述建筑物的一種或多種熱能資源的函數進行預測。14. 根據權利要求12所述的預測成本優化系統，其中，所述HVAC控制器被配置成通過使 用單一優化來同時確定以下兩者來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程： 所述建筑物滿足所述溫度約束條件所需的熱能資源的量；以及 用于讓所述水側系統為所述建筑物生產所述所需量的熱能資源的控制輸出。15. 根據權利要求12所述的預測成本優化系統，其中，所述HVAC控制器被配置成通過使 用單一優化來同時確定以下兩者來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程： 所述建筑物滿足所述溫度約束條件所需的熱能資源的量；以及 為了允許所述水側系統為所述建筑物生產所述所需量的熱能資源而必須從所述公用 事業提供者購買的所述一種或多種資源的量。16. 根據權利要求15所述的預測成本優化系統，其中： 所述HVAC控制器被配置成通過訪問所述水側HVAC設備的性能曲線來確定必須從所述 公用事業提供者購買的所述一種或多種資源的量;并且 所述性能曲線限定了由所述水側HVAC設備生產的熱能資源和為了生產所述熱能資源 而必須由所述水側HVAC設備消耗的一種或多種資源之間的關系。17. 根據權利要求16所述的預測成本優化系統，其中： 所述性能曲線為至少三維的，并且在每個時間為所述水側HVAC設備中的每個裝置將由 所述水側HVAC設備生產的所述熱能資源的量作為至少兩個輸入變量的函數進行限定;并且 所述HVAC控制器被配置成通過在每個時間為所述水側HVAC設備中的每個裝置獨立地 調整所述至少兩個輸入變量來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程以優化所述預測成 本模型。18. 根據權利要求16所述的預測成本優化系統，其中，所述HVAC控制器被配置成生成通 過將非凸形性能曲線轉化為包括多個分段線性區段的凸形性能曲線來生成所述性能曲線。19. 根據權利要求12所述的預測成本優化系統，其中，所述HVAC控制器被配置成： 通過確定所述控制輸出來執行所述一體化的空氣側/水側優化過程，所述控制輸出在 包括多個離散的時間步長的優化周期內優化所述預測成本模型;并且 在所述一體化的空氣側/水側優化過程之后執行第二優化過程，以調整所述控制輸出， 從而優化資源消耗的瞬時速率。20. 根據權利要求19所述的預測成本優化系統，其中，所述HVAC控制器被配置成： 使用所述水側HVAC設備的線性規劃和線性化的性能曲線來執行所述一體化的空氣側/ 水側優化過程，以在所述優化周期內優化所述控制輸出;并且 使用所述水側HVAC設備的非線性規劃和非線性的性能曲線來執行所述第二優化過程， 以針對所述線性化的性能曲線中的誤差進行調整。21. -種用于建筑物的采暖通風或空調(HVAC)系統，包括權利要求1至11中的任意一個 技術特征或者技術特征的任意組合。22. -種用于建筑物HVAC系統的預測成本優化系統，包括權利要求12至20中的任意一 個技術特征或者技術特征的任意組合。
【文檔編號】F24F11/00GK106066077SQ201610257004
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月22日 公開號201610257004.7, CN 106066077 A, CN 106066077A, CN 201610257004, CN-A-106066077, CN106066077 A, CN106066077A, CN201610257004, CN201610257004.7
【發明人】邁克爾·J·瑞斯貝克, 羅伯特·D·特尼, 克里斯托斯·T·馬拉威力斯
【申請人】約翰遜控制技術公司