УПРАВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТОЯНИЙ ОПТИЧЕСКИ ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ УСТРОЙСТВ
CONTROLLING TRANSITIONS IN OPTICALLY SWITCHABLE DEVICES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №13/449,235, где в качестве изобретателей приводятся Браун и др., под названием "CONTROLLING TRANSITIONS IN OPTICALLY SWITCHABLE DEVICES" (Номер дела патентного поверенного SLDMP035), поданной 17 апреля 2012 года, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке, в основном относятся к электрохромным устройствам, а более конкретно к контроллерам окон и связанным с ними алгоритмам для электрохромных окон.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
3
Электрохромизм представляет собой явление, при котором в материале обнаруживается обратимое, обусловленное электрохимическими процессами, изменение оптического свойства в случае изменения электронного состояния материала, как правило, с помощью изменения напряжения, приложенного к нему. Оптическим свойством, обычно, является один или несколько цветов, пропускание, поглощение и отражение. Одним из хорошо известных электрохромных материалов является оксид вольфрама (WO). Оксид вольфрама является катодным электрохромным материалом, в котором окрашивание перехода от прозрачного до синего происходит за счет эффекта электрохимического восстановления.
Электрохромные материалы могут быть встроенными, например, в окна для домашнего, коммерческого и иного применений. Цвет, пропускание, оптическая плотность и/или отражение таких окон могут изменяться путем активации изменений в электрохромном материале, то есть электрохромные окна являются окнами, которые электронным образом могут быть затемнены или переведены в состояние пропускания света. Небольшое напряжение, приложенное к электрохромному устройству (ЕС), установленному в окне, будет служить причиной для его затемнения; увеличение напряжения будет служить причиной пропускания света окном. Это свойство позволяет контролировать количество света, проходящего через окна, и предоставляет возможность использовать электрохромные окна в качестве энергосберегающих устройств.
В то время как электрохромизм был открыт в 1960-х годах, электрохромные устройства, а в частности электрохромные окна, их использование, по-прежнему, затруднено, поэтому до сих пор их коммерческий потенциал не используется полностью, несмотря на множество последних достижений в области электрохромной технологии, устройств и соответствующих способов изготовления и/или использования электрохромных устройств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В данной заявке описываются системы, способы и устройство для управления изменением состояниями оптически переключаемых устройств.
В одном аспекте представлен способ ограничения энергопотребления в сооружении, в котором между внутренней и внешней частями находится, по меньшей мере, одно окрашиваемое окно. Уровнем окрашивания тонируемых окон можно управлять автоматически. Способ включает прием выходных сигналов от любых двух или более датчиков, выбранных из группы, состоящей из внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, датчика присутствия, внешнего температурного датчика, и датчика пропускания, с помощью которого обнаруживается свет, проходящий извне через тонированное окно. Уровень окрашивания окрашиваемого окна определяется с помощью функциональной зависимости между принятыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. Для изменения состояния окраски окрашиваемого окна до определенного уровня окрашивания предусмотрены инструкции.
В другом аспекте представлен контроллер для окрашиваемого окна, установленного в сооружении, имеющем, по меньшей мере, одно тонированное окно между внутренней и внешней частями сооружения. Контроллер содержит процессор или схему управления, по меньшей мере, один вход для приема выходных сигналов от одного или нескольких датчиков, и инструкции для определения посредством процессора или схемы управления уровня окрашивания в окрашиваемом окне с помощью функциональной зависимости между принимаемыми выходными сигналами датчиков и уровнем окрашивания. В качестве выходных сигналов для функциональной зависимости используются выходные сигналы от любых двух или более датчиков, выбранных из группы, состоящей из внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, датчика присутствия, внешнего температурного датчика, и датчика пропускания, с помощью которого обнаруживается свет, проходящий извне через тонированное окно. Контроллер дополнительно содержит, по меньшей мере, один выход для прямого или косвенного управления уровнем окрашивания в окрашиваемом окне.
В другом аспекте представлена система управления энергопотреблением в сооружении, в котором окрашиваемое окно установлено между внутренней и внешней частями сооружения. Система содержит систему управления зданием, панель управления освещением, сеть, посредством которой система управления зданием и панель управления освещением обмениваются данными и контроллер окна для окрашенного окна. Контроллер содержит инструкции для определения уровня окрашивания окрашиваемого окна с помощью функциональной зависимости между принятыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. Для функциональной зависимости используются выходные сигналы от любых двух или более датчиков, выбранных из группы, состоящей из внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, датчика присутствия, внешнего температурного датчика, и датчика пропускания, с помощью которого обнаруживается свет, извне проходящий через тонированное окно. Контроллер дополнительно содержит, по меньшей мере, один выход для прямого или косвенного управления уровнем окрашивания в окрашиваемом окне.
В другом аспекте представлен способ минимизации энергопотребления в сооружении, в котором между внутренней и внешней частями сооружения имеется одно окрашиваемое окно. Окрашиваемое окно имеет регулируемый уровень окрашивания, управляемый с помощью контроллера окна. Способ включает прием сигнала, указывающего потребление энергии или мощности системой отопления, системой охлаждения, и/или освещением в сооружении, а также определение уровня окрашивания для окрашиваемого окна с помощью сигнала, указывающего потребление энергии или мощности, потребляемой устройством или системой в сооружении, и выдачу инструкций для установки уровня окрашивания окрашиваемого окна.
В другом аспекте представлен контроллер окна для окрашиваемого окна в сооружении, имеющем, по меньшей мере, одно тонированное окно между внутренней и внешней частями сооружения. Контроллер содержит процессор или схему управления, по меньшей мере, один вход для приема выходных сигналов от одного или нескольких датчиков, и инструкции для того чтобы посредством процессора или схемы управления определять уровень окрашивания окрашиваемого окна с помощью функциональной зависимости между принимаемыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. В функциональной зависимости используются выходные сигналы от внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, наружного температурного датчика, и инструкция окрашивания. Контроллер дополнительно содержит, по меньшей мере, один выход для управления уровнем окрашивания окрашиваемого окна прямо или косвенно.
В другом аспекте представлен способ ограничения энергопотребления в сооружении, в котором между внутренней и внешней частями сооружения находится, по меньшей мере, одно окрашиваемое окно. Уровнем окрашивания тонируемых окон можно управлять автоматически. Способ включает в себя прием сигналов, указывающих на уровень внешней интенсивности излучения, измеренной на уровне или вблизи окрашиваемого окна и определение уровня окрашивания окрашиваемого окна с помощью функциональной зависимости между принятыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. Функциональная зависимость подразумевает (i) переход от первого более темного уровня окрашивания ко второму более светлому уровню окрашивания в случае, если принятый уровень интенсивности излучения превышает первое пороговое значение, и (ii) переход от второго более светлого уровня окрашивания к первому более темному уровню окрашивания в случае, если принятый уровень освещенности превышает второе пороговое значение. Первое и второе пороговое значения являются различными. Способ дополнительно включает предоставление инструкций для изменения окраски окрашиваемого окна с определенным уровнем окрашивания.
Эти и другие признаки и преимущества будут более подробно описаны ниже со ссылками на соответствующие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенное ниже подробное описание может стать более понятным при рассмотрении совместно с чертежами, на которых:
На Фиг. 1А-1С представлены схематические чертежи электрохромных устройств, выполненных на стеклянных подложках, т.е. на электрохромных стеклах.
На Фигурах 2А и 2В представлены схематические чертежи поперечного сечения электрохромных стекол, описанных в связи с Фиг. 1А-С, встроенных в стеклопакет.
На Фиг. 3А представлено схематическое поперечное сечение электрохромного устройства.
На Фиг. 3В представлен схематический чертеж поперечного сечения электрохромного устройства в обесцвеченном состояния (или переход в обесцвеченное состояние).
На Фиг. 3С представлен схематический чертеж поперечного сечения электрохромного устройства, показанного на Фиг. 3В, но в окрашенном состоянии (или переход в окрашенное состояние).
На Фиг. 4 представлена блок-схема контроллера окна.
На Фиг. 5 представлен схематический чертеж помещения, в котором установлено электрохромное окно и множество датчиков.
На Фиг. 6 представлена функция, которая может использоваться для определения уровня окрашивания электрохромного окна.
На Фиг. 7 представлена таблица весовых констант, которые могут использоваться с функцией, показанной на Фиг. 6.
На Фиг. 8 представлена блок-схема способа для ограничения энергопотребления в комнате, в которой, по меньшей мере, одно окрашиваемое окно установлено между внутренним и внешним пространством помещения.
На Фиг. 9 представлена блок-схема принципа работы окрашиваемого окна, установленного между внутренним и внешним пространством помещения.
На Фиг. 10 представлен график освещенности, как функции времени для внешнего фотодатчика, измеренной в течение 24-часового периода.
На Фиг. 11 представлена структурная схема варианта реализации системы управления зданием.
На Фиг. 12 представлена блок-схема варианта реализации сети в здании.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данной заявке описываются контроллеры окна, применяемые для управления тонируемыми окнами, в том числе электрохромными окнами. Практически любое окрашиваемое и/или отражающее окно или зеркало может работать под управлением контроллеров окна, описанных в данной заявке. Например, с описанными контроллерами окна могут использоваться неэлектрохромные переключаемые оптические устройства, например, устройства на жидких кристаллах и устройства со взвешенными частицами.
Использование контроллеров окон, описанных в данной заявке значительно улучшает климатический контроль в здании, например, в случае, если контроллеры окна интегрированы в систему управления зданием (BMS). Ниже будет более подробно описана взаимосвязь между техническими характеристиками окна, измеренными параметрами микроклимата и климатическим контролем.
Например, как показано на Фиг. 5, 6, и 7, автономный контроллер окна может принимать входные данные от различных датчиков, в том числе от внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, температурного датчика, внутреннего датчика пропускания, датчика присутствия, и измерителя мощности. Эти входные данные могут обрабатываться контроллером окна с целью определения желаемого окрашивания для окрашиваемого окна, с использованием, например, функции (такой как на Фиг. 6) или таблицы подстановки. Функция или таблица подстановки могут изменяться в зависимости от времени суток или дня в году для учета изменений солнечного света, падающего на окрашиваемое окно (например, Фиг. 7). Кроме того, тонируемые окна и контроллер окна могут быть реализованы в здании, содержащем сеть здания или BMS (например, на Фиг. 11 и 12). Контроллер окна может взаимодействовать с различными системами здания с целью улучшения управления климатом в здании.
Обзор Электрохромных Устройств
Следует иметь в виду, что в то время как описанные варианты реализации изобретения сосредоточены на электрохромных (ЕС) окнах (также называемых смарт-окнами), общие принципы, описанные в данной заявке могут применяться к другим типам тонируемых окон. Например, окна, содержащие вместо электрохромного устройства жидкокристаллическое устройство или устройство со взвешенными частицами, могут использоваться в любом из описанных вариантов реализации.
С целью дать читателю общее представление о вариантах систем, контроллеров окна, и способов, описанных в данной заявке, предусмотрено краткое обсуждение электрохромных устройств. Это начальное обсуждение электрохромных устройств предусмотрено только в целях пояснения контекста, и описанные ниже варианты реализации систем, контроллеры окна, и способы не ограничиваются конкретными признаками и технологическими процессами, рассмотренными в этом предварительном обсуждении.
Конкретный пример электрохромного стекла описывается со ссылкой на Фиг. 1А-1С для пояснения вариантов реализации, описанных в данной заявке. На Фиг. 1А представлено поперечное сечение (см разрез Х-Х' на Фиг. 1С) электрохромного стекла 100, изготовление которого начинается с листа стекла 105. На Фиг. 1В показан вид сбоку ЕС стекла 100 (смотрите вид Y-Y' на Фиг. 1С), показанный на Фиг. 1С как вид снизу ЕС стекла 100. На Фиг. 1А представлено изображение электрохромного стекла после изготовления листа стекла 105, причем кромка была удалена для получения по периметру стекла области 140. Электрохромное стекло также скрайбируется с помощью лазера, а затем наклеиваются шины. На стекле 105 имеется диффузионный барьер 110, а на диффузионном барьере находится первый прозрачный электропроводящий оксид (ТСО) 115. В этом примере в процессе удаления кромки удаляется как кромка ТСО 115, так и диффузионного барьера 110, но в других вариантах реализации удаляется только кромка ТСО, при этом диффузионный барьер остается неповрежденным. ТСО 115 является первым из двух электропроводящих слоев для формирования электродов электрохромного устройства, выполненного на листе стекла. В данном примере, лист стекла содержит стеклянную подложку и слой диффузионного барьера. Таким образом, в этом примере сначала формируется диффузионный барьер, а затем формируются первый ТСО, затем ЕС структура 125 (например, содержащая электрохромный, ионный проводник, и слои интегрирующих электродов), и второй ТСО 130. В одном из вариантов реализации изобретения электрохромное устройство (ЕС структура и второй ТСО) изготавливаются в интегрированной системе напыления, в которой лист стекла находится в течение всего процесса изготовления структуры. В одном из вариантов реализации первый слой ТСО также формируется с помощью интегрированной системы напыления, в которой лист стекла находится в интегрированной системе напыления во время напыления ЕС структуры и (второго) слоя ТСО. В одном из вариантов реализации изобретения все слои (диффузионный барьер, первый ТСО, ЕС структура, и второй ТСО) напыляются в интегрированной системе напыления, в которой лист стекла находится во время процесса напыления. В этом примере, перед напылением ЕС структуры 125 вдоль ТСО 115 и диффузионного барьера ПО прорезается изолирующая канавка 120. Канавка 120 выполнена с целью обеспечения электрической изоляции области ТСО 115, которая будет находиться под шиной 1 после завершения процесса изготовления (Фиг. 1А). Это сделано с целью предотвращения нежелательного накопления заряда и окрашивания ЕС устройства под шиной.
После формирования ЕС устройства, выполняются процессы удаления кромки и дополнительного лазерного скрайбирования. На Фиг. 1А изображены области 140, где была удалена структура, в данном примере, по периметру области, окружающей прорезанные с помощью лазерного скрайбирования канавки 150, 155, 160, и 165. Канавки 150, 160 и 165 проходят через ЕС структуру, а также через первый ТСО и диффузионный барьер. Канавка 155 проходит через второй ТСО 130 и ЕС структуру, но не проходит через первый ТСО 115. Прорезанные с помощью лазерного скрайбирования канавки 150, 155, 160, и 165 выполняются с целью изоляции частей ЕС устройства 135, 145, 170, и 175, которые могут быть повреждены во время процесса удаления кромки готового к эксплуатации ЕС устройства. В данном примере с целью изоляции устройства канавки 150, 160, и 165, прорезанные с помощью лазерного скрайбирования, проходят через первый ТСО (канавка 155 не проходит через первый ТСО, в противном случае было бы нарушено прохождение электрического тока между шиной 2 и первым ТСО и, следовательно, с ЕС структурой). Лазер или лазеры, используемые для процессов лазерного скрайбирования, являются, как правило, но не обязательно, лазерами импульсного типа, например, твердотельными лазерами с диодной накачкой. Например, лазерное скрайбирование может выполняться с использованием подходящего лазера от IPG Photonics (Оксфорд, штат Массачусетс), или от Ekspla (Вильнюс, Литва). Скрайбирование также может выполняться механическим способом, например, с помощью резца с алмазным наконечником. Специалистам в данной области техники известно, что процессы лазерного скрайбирования могут выполняться на различных глубинах и/или выполняться во время единого процесса, при котором меняется глубина резания лазера, или не изменяется, во время непрерывного резания по периметру ЕС структуры. В одном из вариантов реализации изобретения удаление кромки выполняется на глубину первого ТСО.
После завершения лазерного скрайбирования приклеиваются шины. Непроникающая шина (1) накладывается на второй ТСО. Непроникающая шина (2) накладывается на область, для которой не производилось напыления (например, под маской, защищающей первый ТСО от напыления), при этом обеспечивается контакт с первым ТСО или, в данном примере, в случае применения процесса удаления кромки (например, лазерной абляции с использованием устройства, содержащего XY или XYZ гальванометр) с целью удаления материала вплоть до первого ТСО. В данном примере, как шина 1, так и 2 являются непроникающими шинами. Проникающей шиной является шина, которая, как правило, запрессовывается и проходит сквозь ЕС структуру, тем самым обеспечивая контакт с ТСО в нижней части структуры. Непроникающей шиной является шина, которая не проникает в слои ЕС структуры, а скорее создает электрический и физический контакт на поверхности проводящего слоя, например, на ТСО.
Слои ТСО могут электрически соединяться с помощью нестандартной шины, например, шины, изготовленной трафаретным и литографическим способами. В одном из вариантов реализации изобретения электрическая связь с прозрачными проводящими слоями устройства реализуется с помощью трафаретной печати (или с помощью другого метода формирования структуры) проводящей пастой с последующим термообработкой или спеканием пасты. Преимуществами использования вышеописанной конфигурации устройства являются, например, упрощение производства и использование лазерного скрайбирования в меньшей мере, по сравнению с обычными способами, используемыми для изготовления проникающих шин.
После того, как шины соединены, устройство устанавливается в стеклопакет (IGU), содержащий, например, проводные шины и т.п. В некоторых вариантах реализации изобретения одна или две шины находятся внутри готового стеклопакета, хотя в одном из вариантов реализации изобретения одна шина располагается снаружи уплотнения стеклопакета, а другая шина находится внутри стеклопакета. В предыдущем варианте реализации изобретения, область 140 используется с целью формирования уплотнения с одной стороны прокладки, используемой для образования стеклопакета. Таким образом, провода или другое подключение к шинам проходит между прокладкой и стеклом. Поскольку большинство прокладок изготавливаются из металла, например, из нержавеющей стали, являющейся электропроводящей, желательно принять меры с целью избежать короткого замыкания из-за электрического контакта между шиной, соединителем шины и металлической прокладкой.
Как описано выше, после подключения шин электрохромное стекло устанавливается в стеклопакет, содержащий, например, провода для шин и тому подобное. В вариантах реализации изобретения, описанных в данной заявке, обе шины находятся внутри первичного уплотнения готового стеклопакета. На Фиг. 2А представлен схематический чертеж поперечного сечения электрохромного окна, описанного в связи с Фиг. 1А-С, встроенного в стеклопакет 200. Прокладка 205 используется с целью отделить электрохромное стекло от второго стекла 210. Второе стекло 210 в стеклопакете 200 не является электрохромным стеклом, хотя варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке не ограничиваются этим. Например, стекло 210 может иметь электрохромное устройство и/или одно или несколько покрытий, таких как теплоотражающие покрытия и т.п. Стекло 201 также может быть ламинированным стеклом, например, как представлено на Фиг. 2 В (стекло 201 ламинируется для армированной панели 230 с помощью смолы 235). Между прокладкой 205 и первым слоем ТСО электрохромного стекла находится первичный уплотняющий материал 215. Этот первичный уплотняющий материал также находится между прокладкой 205 и вторым стеклом 210. По периметру прокладки 205 расположено вторичное уплотнение 220. Провода от шины проходит сквозь уплотнение для подключения к контроллеру окна. Вторичное уплотнение 220 может быть намного толще, чем на чертеже. Эти уплотнения защищают внутреннее пространство 225 стеклопакета от попадания влаги. Они также служат для предотвращения утечки аргона или другого газа, находящегося внутри стеклопакета.
На Фиг. 3А схематически представлено поперечное сечение электрохромного устройства 300. Электрохромное устройство 300 содержит подложку 302, первый проводящий слой (CL) 304, электрохромный слой (ЕС) 306, ионный проводящий слой (1С) 308, слой интегрирующего электрода (СЕ) 310, и второй проводящий слой (CL) 314. Слои 304, 306, 308, 310, и 314 в совокупности называются электрохромной структурой 320. Источник напряжения 316 выполнен с возможностью подачи электрического потенциала на электрохромную структуру 320, причем подача электрического потенциала приводит к изменению состояния электрохромного устройства, например, от обесцвеченного состояния к окрашенному (показано). Порядок слоев по отношению к подложке может быть изменен.
Электрохромные устройства, имеющие описанные выше отдельные слои, могут изготавливаться также как твердотельные устройства и/или неорганические устройства с низкой дефектностью. Такие устройства, а также способы их изготовления более подробно описаны в заявке на патент США №12/645,111, под названием "Fabrication of Low-Defectivity Electrochromic Devices", поданной 22 декабря 2009 года, в качестве изобретателей приводятся Mark Kozlowski и соавт., и в заявке на патент США №12/645,159, под названием "Electrochromic Devices", поданной 22 декабря 2009 года, в качестве изобретателей приводятся Zhongchun Wang и соавт., причем обе заявки полностью включены в данную заявку посредством ссылки. Однако следует иметь в виду, что один или более слоев в структуре могут содержать некоторое количество органического материала. То же самое можно сказать и о жидкостях, которые в небольших количествах могут присутствовать в одном или нескольких слоях. Кроме того, следует понимать, что твердотельный материал может напыляться или иным образом формироваться с помощью процессов, в которых используются жидкие компоненты, например, определенные процессы с использованием золь-гелей или химического парофазного осаждения.
Также следует понимать, что упоминание перехода между обесцвеченным и окрашенным состоянием не является ограничивающим, и предполагает только один пример электрохромного перехода из множества примеров, которые могут быть реализованы. Если не указано иначе в данной заявке (включая вышеизложенное), всякий раз, когда делается ссылка на переход обесцвеченное-окрашенное состояние, соответствующее устройство или процесс включают другие оптические переходы между состояниями, например неотражающее-отражающее, прозрачное-непрозрачное, и т.д. Кроме того, термин "обесцвеченный" относится к оптически нейтральному состоянию, например, бесцветный, прозрачный или полупрозрачный. Более того, если не указано иначе в данном описании, "цвет" электрохромного перехода не ограничивается любой конкретной длиной волны или диапазоном длин волн. Специалистам в данной области техники будет понятно, что выбор соответствующего электрохромного материала и материала интегрирующего электрода влияет на соответствующее состояние оптического перехода.
В описанных в данной заявке вариантах реализации изобретения электрохромное устройство циклически обратимо меняет свое состояние между обесцвеченным и окрашенным состояниями. В некоторых случаях, если устройство находится в обесцвеченном состоянии, потенциал прикладывается к электрохромной структуре 320 таким образом, что ионы, доступные в структуре находятся, главным образом, в интегрирующем электроде 310. Когда потенциал на электрохромной структуре меняется, ионы перемещаются через слой, проводящий ионы 308, к электрохромному материалу 306, и вызывает переход материала в окрашенное состояние.
На Фиг. 3А представлен источник напряжения 316, который может быть выполнен для совместной работы с датчиком излучения и другими датчиками состояния окружающей среды. Как описано в данной заявке источник напряжения 316 взаимодействует с устройством контроллера (не показан на чертеже). Кроме того, источник напряжения 316 может взаимодействовать с системой управления энергопотреблением, которая управляет устройством с учетом различных критериев, например, времени года, времени суток и измеренных условий окружающей среды. Такая система управления энергопотреблением, в сочетании с электрохромными устройствами большой площади (например, электрохромным окном), может значительно снизить энергопотребление здания.
В качестве подложки 302 может использоваться любой материал, имеющий подходящие оптические, электрические, тепловые и механические свойства. Такие подложки, например, могут быть выполнены из стеклянных, пластмассовых и зеркальных материалов. Стекло для изготовления электрохромных устройств включает прозрачное или тонированное известково-натриевое стекло, в том числе известково-натриевое полированное стекло. Стекло может быть закаленным или незакаленным.
Во многих случаях, подложка представляет собой оконное стекло с размерами, обычными для окон жилых помещений. Размеры такого оконного стекла могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретных потребностей здания. В других случаях, подложка является архитектурным стеклом. Архитектурное стекло, как правило, используется в коммерческих зданиях, но также может использоваться в жилых домах, и, как правило, хотя и не обязательно, служит для отделения внутреннего пространства от внешнего. В некоторых вариантах реализации изобретения архитектурное стекло имеет размеры, по меньшей мере, 20 дюймов на 20 дюймов, но может быть значительно больше, например, вплоть до около 80 дюймов на 120 дюймов. Архитектурное стекло, как правило, имеет толщину, по меньшей мере, около 2 мм, и, как правило, между около 3 мм и около 6 мм. Конечно, размеры электрохромных устройств изменяются в соответствии с размерами подложек, которые имеют размеры меньше или больше, чем архитектурное стекло. Кроме того, электрохромное устройство может быть выполнено на зеркале любого размера и формы.
Верхняя часть подложки 302 является проводящим слоем 304. В некоторых вариантах реализации изобретения один или оба проводящих слоя 304 и 314 являются неорганическими и/или твердыми веществами. Проводящие слои 304 и 314 могут изготавливаться из различных материалов, в том числе проводящих оксидов, тонких металлических покрытий, проводящих нитридов металлов, и композитных проводящих материалов. Как правило, проводящие слои 304 и 314 являются прозрачными, по меньшей мере, в диапазоне длин волн, в котором проявляется электрохромизм электрохромного слоя. Прозрачные электропроводящие оксиды включают оксиды металлов и оксиды металлов, легированные одним или более металлами. Примеры таких оксидов металлов и легированных оксидов металлов включают оксид индия, оксид индия и олова, легированный оксид индия, оксид олова, легированный оксид олова, оксид цинка, оксид алюминия-цинка, легированный оксид цинка, оксид рутения, легированный оксид рутения и тому подобное. Из-за того, что оксиды часто используются для изготовления этих слоев, они иногда называются слоями "прозрачного электропроводящего оксида" (ТСО). Также могут использоваться тонкие металлические покрытия, являющиеся практически прозрачными.
Функцией проводящих слоев является распространение электрического потенциала, создаваемого источником напряжения 316 по поверхности электрохромной структуры 320 к внутренним областям структуры, с относительно небольшим омическим падением напряжения. Электрический потенциал передается к проводящим слоям, в то время как электрические соединения подключены к проводящим слоям. В некоторых вариантах реализации изобретения одна шина, соединенная с проводящим слоем 304, а другая шина, соединенная с проводящим слоем 314, обеспечивают электрическое соединение между источником напряжения 316 и проводящими слоями 304 и 314. Проводящие слои 304 и 314 также могут подключаться к источнику напряжения 316 с помощью других подходящих способов.
3
3
2
5
2
2
3
2
3
2
3
2
5
2
3
2
3
Проводящий слой 304 находится над электрохромным слоем 306. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой 306 является неорганическим и/или твердым веществом. Электрохромный слой может содержать один или несколько из множества различных электрохромных материалов, в том числе оксидов металлов. Такие оксиды металлов включают оксид вольфрама (WO), оксид молибдена (MoO), оксид ниобия (NbO), оксид титана (TiO), оксид меди (CuO), оксид иридия (IrO), оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO), оксид ванадия (VO), оксид никеля (NiO), оксид кобальта (CoO) и тому подобное. В процессе эксплуатации электрохромный слой 306 передает и получает ионы от слоя интегрирующего электрода 310, что приводит к переходам из одного оптического состояния в другое.
+
+
3-у
Как правило, окрашивание (или любое изменение оптических свойств - например, оптической плотности, коэффициента отражения и пропускания) электрохромного материала обусловлено обратимым внедрением ионов в материал (например, интеркалирование) и соответствующей инжекцией заряда балансирующего электрона. Как правило, некоторая часть ионов, ответственных за оптический переход, необратимо связана электрохромным материалом. Некоторые или все из необратимо связанных ионов используются для компенсации "слепого заряда" в материале. В большинстве электрохромными материалов, подходящие ионы включают ионы лития (Li) и ионы водорода (Н) (то есть, протоны). Однако в некоторых случаях могут применяться другие ионы. В различных вариантах реализации изобретения, для получения электрохромного эффекта используются ионы лития. Интеркалирование ионов лития в оксид вольфрама (WO(0<y≤~0.3)) приводит к тому, что оксид вольфрама меняется от прозрачного (обесцвеченного состояния) к синему (окрашенному состоянию).
Как показано на Фиг. 3А, в электрохромной структуре 320 ионный проводящий слой 308 располагается в сэндвич-структуре между электрохромным слоем 306 и слоем интегрирующего электрода 310. В некоторых вариантах реализации изобретения слой интегрирующего электрода 310 является неорганическим и/или твердым веществом. Слой интегрирующего электрода может содержать один или более из множества различных материалов, которые служат в качестве резервуара ионов в случае, когда электрохромное устройство находится в обесцвеченном состоянии. Во время электрохромного перехода, инициированного, например, приложением соответствующего электрического потенциала, из слоя интегрирующего электрода переходят все или некоторые из ионов, удерживаемых в электрохромном слое, при этом состояние электрохромного слоя меняется на окрашенное. При этом в случае NiWO слой интегрирующего электрода меняет состояние на окрашенное при потере ионов.
3
2
3
2
В некоторых вариантах реализации изобретения подходящие материалы для интегрирующего электрода, комплементарного WO включают оксид никеля (NiO), оксид никеля-вольфрама (NiWO), оксид никеля-ванадия, оксид никеля-хрома, оксид никеля-алюминия, оксид никеля-марганца, оксид никеля-магния, оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO), и берлинскую лазурь.
В случае, когда заряд перемещается от интегрирующего электрода 310, выполненного из оксида никеля-вольфрама (то есть, ионы перемещаются от противоположного электрода 310 к электрохромному слою 306), слой интегрирующего электрода изменит состояние из прозрачного в окрашенное.
В представленном электрохромном устройстве между электрохромным слоем 306 и слоем интегрирующего электрода 310 находится ионный проводящий слой 308. Ионный проводящий слой 308 служит средой, посредством которой транспортируются ионы (в виде электролита), в случае, если электрохромное устройство меняет состояние между обесцвеченным и окрашенным. Предпочтительный ионный проводящий слой 308 с высокой ионной проводимостью соответствует требованиям для электрохромного слоя и слоя интегрирующего электрода, но имеет достаточно низкую электронную проводимость, что в процессе нормальной работы приводит к незначительному переносу электронов. Тонкий ионный проводящий слой с высокой ионной проводимостью обеспечивает быструю ионную проводимость и, следовательно, быстрое переключение для высокопроизводительных электрохромных устройств. В некоторых вариантах реализации изобретения ионный проводящий слой 308 является неорганическим и/или твердым веществом.
Примеры подходящих ионных проводящих слоев (для электрохромных устройств, имеющих отдельный слой IC) включают силикаты, оксиды кремния, оксиды вольфрама, оксиды тантала, оксиды ниобия и бораты. Эти материалы могут быть легированы различными легирующими примесями, в том числе лития. Легированные литием оксиды кремния включают литиевый оксид кремний-алюминия. В некоторых вариантах реализации изобретения ионный проводящий слой содержит структуру на основе соли кремниевой кислоты. В некоторых вариантах реализации изобретения, оксид кремний-алюминия (SiAlO) используется для ионного проводящего слоя 308.
Электрохромное устройство 300 может содержать один или более дополнительных слоев (не показаны), например один или более пассивных слоев. Пассивные слои, используемые для улучшения определенных оптических свойств, могут быть включены в электрохромное устройство 300. В электрохромное устройство 300 также могут быть включены пассивные слои для обеспечения влажности или устойчивости к царапинам. Например, проводящие слои могут быть улучшены с помощью антибликового или защитного оксидного или нитридного слоя. Другие пассивные слои могут служить для герметизации электрохромного устройства 300.
На Фиг. 3В представлен схематический чертеж поперечного сечения электрохромного устройства в обесцвеченном состоянии (или переход в обесцвеченное состояние). В соответствии с конкретными вариантами реализации изобретения электрохромное устройство 400 содержит электрохромный слой (ЕС) оксида вольфрама 406, и слой интегрирующего электрода (СЕ) оксида никель-вольфрама 410. Также электрохромное устройство 400 включает в себя подложку 402, проводящий слой (CL) 404, ионный проводящий слой (IC) 408, и проводящий слой (CL) 414.
Источник питания 416, выполнен с возможностью обеспечивать потенциал и/или ток для электрохромной структуры 420 посредством соответствующих соединений (например, шин) с проводящими слоями 404 и 414. В некоторых вариантах реализации изобретения источник напряжения выполнен с возможностью подачи потенциала в несколько вольт для управления переходом устройства из одного оптического состояния в другое. Полярность потенциала, как показано на Фиг. 3А такова, что ионы (в данном примере ионы лития) изначально находятся (как показано пунктирной стрелкой) в оксид никель-вольфрамовом слое интегририрующего электрода 410.
На Фиг. 3С представлен схематический чертеж поперечного сечения электрохромного устройства 400, показанного на Фиг. 3В, но в окрашенном состоянии (или переход в окрашенное состояние). На Фиг. 3С полярность источника напряжения 416 восстанавливается, так что электрохромный слой становится более отрицательным для принятия дополнительных ионов лития и, таким образом, переходит в окрашенное состояние. Как показано пунктирной стрелкой ионы лития перемещаются через ион-проводящий слой 408 к электрохромному слою оксида вольфрама 406. Электрохромный слой оксида вольфрама 406 показан в окрашенном состоянии. Никель-вольфрамовый интегрирующий электрод 410 также показан в окрашенном состоянии. Как поясняется выше, оксид никель-вольфрама становится все более непрозрачным, поскольку происходит выделение (деинтеркалирование) ионов лития. В данном примере в случае перехода в окрашенное состояние обоих слоев 406 и 410 с целью суммирования количества света, задерживаемого структурой и подложкой, имеет место синергический эффект.
Как описано выше, электрохромное устройство может содержать электрохромный (ЕС) электродный слой и слой интегрирующего электрода (СЕ), разделенные с помощью ионопроводящего (IC) слоя, который имеет высокую проводимость для ионов и высокое сопротивление для электронов. Очевидно, что по этой причине ионно-проводящий слой предотвращает короткое замыкание между электрохромным слоем и слоем интегририрующего электрода. Ионно-проводящий слой позволяет электрохромному и интегрирующему электродам удерживать заряд и тем самым сохранять свое обесцвеченное или окрашенное состояния. В электрохромных устройствах, имеющих различные слои, компоненты образуют структуру, включающую ионный проводящий слой, расположенный между слоем электрохромного электрода и слоем интегририрующего электрода. Границы между этими тремя компонентами структуры определяются резкими изменениями в композиции и/или микроструктуре. Таким образом, эти устройства имеют три разных слоя с двумя четкими границами.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, интегрирующий и электрохромный электроды формируются в непосредственной близости друг от друга, иногда в непосредственном контакте без отдельного напыления ионно-проводящего слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромные устройства вместо использования отдельного 1С слоя имеют пограничную область. Такие устройства и способы их изготовления описаны в заявках на патент США №12/772,055 и №12/772,075, поданных 30 апреля 2010 года, и в заявках на патент США №12/814,277 и №12/814,279, поданных 11 июня 2010 года - каждая из четырех заявок имеет название "Electrochromic Devices", в качестве изобретателей приводятся Zhongchun Wang и соавт., причем каждая из них полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
Контроллеры Окон и Алгоритмы Управления
Контроллер окон используется для управления состоянием (то есть, обесцвеченное, нейтральное или некоторая уровень окрашивания) электрохромного устройства электрохромного окна. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер окна выполнен с возможностью перехода электрохромного окна в одно из двух состояний, обесцвеченное состояние и окрашенное состояние. В других вариантах реализации изобретения с помощью контроллера окна электрохромное окно (например, имеющее одно электрохромное устройство) может дополнительно переключаться в состояние промежуточного окрашивания. Некоторые электрохромные окна выполнены с возможностью переключения в состояния с промежуточными уровнями окрашивания с помощью двух электрохромные стекол в одном стеклопакете, где каждое стекло является стеклом с двумя состояниями. Более подробно это будет описываться ниже.
Как было отмечено выше со ссылкой на Фиг. 2А и 2В, в некоторых вариантах реализации изобретения электрохромное окно может содержать электрохромное устройство на одном из стекол стеклопакета и второе электрохромное устройство на другом стекле стеклопакета. Если контроллер окна выполнен с возможностью перехода каждого электрохромного устройства в одно из двух состояний, обесцвеченное и окрашенное состояния, при этом электрохромное окно может иметь четырех различных состояния, окрашенное состояние двух электрохромных устройств, первое промежуточное состояние с одним окрашенным электрохромным устройством, второе промежуточное состояние со вторым окрашенным электрохромным устройством, и обесцвеченное состояние двух электрохромных устройств. Варианты реализации электрохромных окон с несколькими стеклами дополнительно описаны в заявке на патент США №12/851,514, в качестве изобретателей приводится Friedman и соавт, под названием "MULTI-PANE ELECTROCHROMIC WINDOWS", поданной 5 августа 2010 года, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер окна выполнен с возможностью перехода электрохромного окна, имеющего электрохромное устройство, в одно из двух или более состояний. Например, контроллер окна может быть выполнен с возможностью перехода электрохромного окна в обесцвеченное состояние, промежуточное состояние и окрашенное состояние. В некоторых других вариантах реализации изобретения контроллер окна может быть выполнен с возможностью перехода электрохромного окна, содержащего электрохромное устройство, в одно из любого числа состояний между обесцвеченным и окрашенным состоянием. Варианты реализации способов и контроллеры окна для переключения электрохромного окна в промежуточное состояние или состояния более подробно описаны в заявке на патент США №13/049,623, в качестве изобретателей приводится Mehtani и соавт., под названием "CONTROLLING TRANSITIONS IN OPTICALLY SWITCHABLE DEVICES", поданной 16 марта 2011 года, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
В некоторых вариантах реализации изобретения контроллером окна может осуществляться электропитание одного или более электрохромных устройств в электрохромном окне. Как правило, эта функция контроллера окна дополняется одной или более другими функциями, более подробно описанными ниже. Контроллеры окон, описанные в данной заявке, не ограничиваются контроллерами окна, имеющими функцию электропитания электрохромного устройства, к которому контроллер окна подключен с целью управления. То есть, источник питания для электрохромного окна может быть выполнен отдельно от контроллера окна, причем контроллер окна имеет собственный источник электропитания и подает электропитание от источника электропитания питания окон к окну. Тем не менее, является удобным то, что источник электропитания входит в состав контроллера окна и контроллер окна настроен непосредственно для электропитания окна, благодаря этому устраняется необходимость в отдельной проводке для электропитания электрохромного окна.
Кроме того, описанные в этом разделе контроллеры окна описываются как отдельные контроллеры окна, которые могут быть выполнены с возможностью управления функциями одного окна или множества электрохромными окон без необходимости интегрирования контроллера окна в сеть управления зданием или систему управления зданием (BMS). В то же время контроллеры окна могут быть интегрированы в сеть управления зданием или BMS, как описано далее в разделе Система Управления Зданием данной заявки.
На Фиг. 4 представлена блок-схема контроллера окна. На Фиг. 4 представлена упрощенная блок-схема контроллера окна, а более подробную информацию о контроллерах окна можно найти в заявке на патент США №13/449,248, в качестве изобретателя приводится Brown, под названием "CONTROLLER FOR OPTICALLY SWITCH ABLE WINDOWS" (Номер дела патентного поверенного SLDMP041), поданной 17 апреля 2012 года, и в заявке на патент США №13/449,251, в качестве изобретателя приводится Brown, под названием "CONTROLLER FOR OPTICALLY-SWITCHABLE WINDOWS" (Номер дела патентного поверенного SLDMP042), поданной 17 апреля 2012 года. Как показано на Фиг. 4, контроллер окна 450 содержит микроконтроллер 455, ШИМ-инвертор (PWM) 460, модуль формирования сигнала 465, и модуль интеллектуальной логики 470.
На Фиг. 5 представлен схематический чертеж помещения, в котором установлено электрохромное окно и множество датчиков. В некоторых вариантах реализации изобретения, выходные сигналы от этих датчиков могут быть входными сигналами модуля формирования сигнала 465 контроллера окна 450. В некоторых других вариантах реализации изобретения выходные сигналы от этих датчиков могут быть входными данными для сети, содержащей систему управления зданием, как описано ниже в разделе Система Управления Зданием. Хотя различные датчики представлены как установленные, например, на вертикальной поверхности помещения, это сделано с целью упрощения, и некоторые или все датчики также могут находиться на потолке или на полу.
В помещении 500 установлено электрохромное окно 505. Электрохромное окно 505 находится между внешним и внутренним пространством здания, в котором находится помещение 500. Контроллер окна 450 подключен и выполнен с возможностью управления оптическим состоянием электрохромного окна 505. Датчики в помещении 500 включают внешний фотодатчик 510, датчик внешней температуры 515, внутренний фотодатчик 520, внутренний датчик пропускания 525, датчик присутствия 530 и измеритель мощности 535. Каждый из этих датчиков кратко описывается ниже.
Внешний фотодатчик 510 и внутренний фотодатчик 520 являются устройствами, выполненными с возможностью определения интенсивности излучения падающего на них света. Свет, падающий на фотодатчик, может быть светом непосредственно от источника света или светом, отраженным от поверхности и падающим на фотодатчик. Внешним фотодатчиком 510 обычно измеряется прямой или отраженный солнечный свет, падающий на фотодатчик. Уровень освещенности, измеряемый внешним фотодатчиком 510, изменяется в зависимости от времени суток и времени года таким образом, что угол падения солнечного света зависит от положения Земли. Уровень освещенности, измеряемый внешним фотодатчиком 510, также изменяется в зависимости от погоды; например, в пасмурные дни, свет солнца будет закрываться облаками и уровень освещенности, измеренный внешним фотодатчиком 510, будет ниже чем в безоблачные дни. В некоторых вариантах реализации изобретения может использоваться один или более наружных фотодатчиков 510. Выходной сигнал от одного или нескольких наружных фотодатчиков 510 может сравниваться с другими с целью определения, например, находится ли один из внешних фотодатчиков 510 в тени объекта, например птицы, которая села на внешний фото датчик 510.
Внутренним фотодатчиком 520 обычно измеряется освещенность для рассеянного света в комнате 500. В некоторых вариантах реализации изобретения внутренним фотодатчиком измеряется освещенность для света, отраженного от поверхности в поле зрения внутреннего фотодатчика 520. Для одного и того же уровня освещенности комнаты 500 внутренним фотодатчиком 520 будет измеряться более высокий уровень освещенности в случае, если в поле зрения внутреннего фотодатчика 520 находится лист белой бумаги, чем в случае, если, например, в поле зрения внутреннего фото датчика 520 находится часть цветного ковра, например, из-за более высокой отражательной способности белой бумаги. По этой причине, если перемещается внутренний фотодатчик 520 или если объект(ы) в поле зрения внутреннего фотодатчика 520 меняются, может измениться выходной сигнал внутреннего фотодатчика 520. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения контроллером окна 450 может выполняться процедура повторной калибровки для определения диапазона выходных сигналов внутреннего фотодатчика 520, который также зависит от объекта(ов) в поле зрения внутреннего фотодатчика 520. Такая процедура повторной калибровки может выполняться в соответствии с установленным расписанием (например, один раз в неделю) или кем-либо активируется (например, специалистом по техническому обслуживанию, переставляющим мебель в комнате 500).
Внешний фотодатчик 510 и внутренний фотодатчик 520 могут быть любыми из множества различных типов фотодатчиков. Например, внешний фотодатчик 510 и внутренний фотодатчик 520 могут быть приборами с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодами, фоторезисторами, или фотоэлектрическими элементами. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что также будут применимы будущие разработки в технологии фотодатчиков, так как с их помощью измеряется интенсивность света и обеспечивается электрический выходной сигнал, характеризующий уровень освещенности.
Датчик внешней температуры 515 представляет собой устройство, выполненное с возможностью измерения температуры наружного воздуха. Датчик внешней температуры 515 может быть любым из множества различных температурных датчиков, включая термопару, термистор, или резистивный датчик температуры. В некоторых вариантах реализации изобретения в помещении 500 дополнительно содержится внутренний датчик температуры.
Внутренний датчик пропускания 525 представляет собой устройство, выполненное с возможностью измерения количества света, проходящего через электрохромное окно 505. В некоторых вариантах реализации изобретения внутренний датчик пропускания 525 является фотодатчиком, который может быть аналогичен внешнему фотодатчику 510 или внутреннему фотодатчику 520 с полем зрения датчика, ориентированным в направлении расположения поверхности электрохромного окна 505 с целью измерения уровня падающего света, проходящего через электрохромное окно 505. Пропускная способность электрохромного окна 505 может определяться путем комбинации измерений внешнего фото датчика 510 и измерений фотодатчика, имеющего поле зрения, обращенное к внутренней поверхности электрохромного окна 505.
Датчик присутствия 530 представляет собой устройство, выполненное с возможностью обнаружения нахождения человека в комнате 500. Датчики присутствия, как правило, являются датчиками движения; в случае, если датчиком присутствия 530 обнаруживается движение, то предполагается, что в помещении 500 находится человек и, когда датчиком присутствия 530 не обнаруживается движения, предполагается, что в помещении 500 никого нет. Датчик присутствия может быть установлен таким образом, что предполагается, что человек находится в помещении в течение периода времени после того, как в последний раз было обнаружено движение; этим может учитываться, что человек, сидящий за столом, не двигается, но все еще находится в помещении. В некоторых вариантах реализации изобретения датчик присутствия может быть датчиком движения, используемым для управления включением освещения в помещении. В качестве датчика присутствия 530 может использоваться, например, инфракрасное (ИК) устройство, акустическое устройство, или комбинация того и другого. Поле зрения датчика присутствия 530 может быть выбрано/отрегулировано таким образом, чтобы датчик реагировал на движение в помещении 500, а не на движение за пределами помещения 500 (например, движение за пределами помещения 500 или движение в холле здания рядом с помещением 500).
Измеритель мощности 535 представляет собой устройство, выполненное с возможностью измерения энергопотребления комнаты 500. Энергопотребление комнаты 500 может включать энергопотребление систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC систем) и освещения. В некоторых вариантах реализации изобретения измеритель мощности 535 содержит устройства, выполненные с возможностью взаимодействия с проводами цепей, обеспечивающими электропитание помещения 500. Измеритель мощности может быть выполнен с возможностью отдельно измерять мощность, потребляемую внутренним освещением помещения 500 и мощность, потребляемую HVAC системой помещения 500 в случае, если внутреннее освещение и система HVAC подключены к разным электрическим цепям комнаты 500.
В некоторых вариантах реализации изобретения в случае, если контроллер окна 450 не подключен к сети, выходные сигналы для контроллера окна 450 могут предоставляться двумя или более датчиками посредством модуля формирования сигнала 465. Модуль формирования сигнала 465 передает эти выходные сигналы микроконтроллеру 455. Микроконтроллером 455 определяется уровень окрашивания электрохромного окна 505, в зависимости от выходных сигналов, и выдает инструкцию PWM 460 для подачи напряжения и/или тока на электрохромное окно 505 для перехода к желаемому состоянию.
В некоторых вариантах реализации изобретения, выходной сигнал от внешнего фотодатчика 510, 520 внутреннего фотодатчика, температурного датчика, и инструкции окрашивания являются входными сигналами для модуля формирования сигнала 465. Датчик температуры может быть внутренним датчиком температуры (не показан) или внешним датчиком температуры 515. Инструкция окрашивания может быть инструкцией от лица, находящегося в помещении 500, например, выбор желаемого уровня окрашивания для данного человека. Например, в зависимости от электрохромного окна 505, лицо может дать инструкцию, чтобы данное окно перешло в обесцвеченное, окрашенное или промежуточное состояние. Такие инструкции для окрашивания могут отправляться, например, с беспроводного пульта дистанционного управления или с панели, связанной с контроллером окна 450. Если помещение 500 является, например, спальней, может потребоваться, чтобы для приватности электрохромное окно 505 ночью находилось в окрашенном состоянии.
В некоторых вариантах реализации изобретения входным сигналом, соответствующим инструкции окрашивания, может быть сигнал напряжения для модуля формирования сигнала 465 от около 0 В до около 10 В. Входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 0 В до 4,9 В может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода к обесцвеченному состоянию и входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 5 В до 10 В, может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода в окрашенное состояние. В качестве другого примера, когда электрохромное окно 505 имеет четыре состояния, входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 0 В до 2,5 В может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода к обесцвеченному состоянию, входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 2,6 В до 5 В может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода к первому промежуточному состоянию, входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 5,1 В до 7,5 В может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода ко второму промежуточному состоянию, и входной сигнал, соответствующий инструкции окрашивания, от 7,6 В до 10 В может указывать на инструкцию для электрохромного окна 505 для перехода в окрашенное состояние.
Выходные сигналы датчиков и инструкции окрашивания передаются микроконтроллеру 455. Так или иначе состояние в которое переходит электрохромное окно 505, указанное инструкцией окрашивания будет зависеть от того настроек микроконтроллера 455 для обработки выходных сигналов от внешнего фотодатчика 510, внутреннего фотодатчика 520, и температурного датчика, в зависимости от инструкции окрашивания. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения входной сигнал инструкции окрашивания может переопределить выходной сигнал от внешнего фотодатчика 510, внутреннего фотодатчика 520, и температурного датчика и электрохромное окно 505 может перейти в состояние, указанное входным сигналом инструкции окрашивания. Микроконтроллер 455 выдает инструкцию PWM 460 для подачи тока и/или напряжения для перехода электрохромного окна 505 в состояние, соответствующее входному сигналу инструкции окрашивания.
В некоторых вариантах реализации изобретения для достижения выбранного уровня окрашивания, в зависимости от сигналов датчиков и/или других входных данных, микроконтроллером 455 может использоваться одна или несколько различных логических функций или алгоритмов. Выходные сигналы датчиков могут служить в качестве независимых переменных в линейном или нелинейном выражении, таблице преобразования, дереве преобразования и т.д. В некоторых вариантах реализации изобретения в микроконтроллере 455 используется функция определения значения тока и/или напряжения, которое нужно подать с помощью ШИМ-инвертора 460 на электрохромное окно 505. Пример одной из функций показан на Фиг. 6.
1
2
3
4
На Фиг. 6 приведена функция, в которой используются весовые константы k, k, k, и k для присвоения весовых коэффициентов выходным сигналам от различных датчиков/инструкций, где ЕР является выходным сигналом внешнего фото датчика, IP является выходным сигналом внутреннего фотодатчика, Т является выходным сигналом температурного датчика и ТС является выходным сигналом инструкции окрашивания. Весовые константы присваиваются с целью достижения желаемой реакции электрохромного окна 505. Выходное значение (OV) определяется с помощью функции. В зависимости от выходного значения, микроконтроллером 455 может выдаваться инструкция PWM 460 для перехода электрохромного окна 505 в желаемое состояние.
Например, когда выходное значение изменяется от 0 до 15 (например, 16 состояний окрашивания, начиная от около 67% до 4% пропускной способности) и электрохромное окно 505 имеет два состояния, при выходном значении 0, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в обесцвеченное состояние, а при выходном значении 15, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в окрашенное состояние. В качестве другого примера в случае, если выходное значение изменяется от 0 до 15 и электрохромное окно 505 имеет четыре состояния, при выходном значении от 0 до 4, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в обесцвеченное состояние, при выходном значении от 5 до 9 контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в первое промежуточное состояние, при выходном значении от 10 до 14, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода во второе промежуточное состояние, и при выходном значении равном 15, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в окрашенное состояние. В качестве еще одного примера, в случае, если выходное значение изменяется от 0 до 15 и электрохромное окно 505 имеет бесконечное число промежуточных состояний, при выходном значении равном 0, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в обесцвеченное состояние, при выходном значении равном 15, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода в окрашенное состояние, и при выходном значении от 0 до 15, контроллером окна 450 может выдаваться инструкция электрохромному окну 505 для перехода к уровню окрашивания, соответствующему выходному значению.
1
2
3
4
1
2
3
4
3
1
2
Весовые константы, k, k, k, и k выбираются с целью достижения желаемой реакции электрохромного окна 505. Например, если в комнате находится человек, то для управления уровнем окрашивания электрохромного окна 505, весовые константы устанавливаются следующими: k=0, k=0, k=0, и k=1. Весовой константе k (т.е. для выходного сигнала внешнего температурного датчика) может быть присвоено большое значение, если электрохромное окно 505 используется для уменьшения потребления энергии HVAC в помещении 500. Весовым константам k и k (т.е. для выходных сигналов внешнего и внутреннего фотодатчиков, соответственно) могут быть присвоены значения для поддержания уровня освещенности в помещении 500 относительно постоянным. Весовые константы могут присваиваться для достижения любой из ряда различных реакций электрохромного окна 505.
1
2
3
4
В некоторых вариантах реализации изобретения весовые константы k, k, k, and k могут изменяться в зависимости от влияния внешних факторов или от расписания. Примеры влияния внешних факторов, которые могут вызвать изменение констант, включают погодные изменения и изменения условий энергопотребления в пределах здания или в пределах географической области (выделенной в связи с рабочей мощностью коммунального предприятия). В некоторых вариантах реализации изобретения расписание может быть ежедневным расписанием, а в некоторых других вариантах реализации изобретения расписание может быть ежегодным расписанием. В некоторых вариантах реализации изобретения, расписание может быть расписанием, содержащим различные ежедневные графики для разных времен года. Например, ежедневное расписание может изменяться для разных сезонов года, то есть, зимы, весны, лета и осени.
Пример одного из расписаний показан на Фиг. 7. Например, расписание 1 может быть расписанием с 10 pm до 6 am, расписание 2 может быть расписанием с 10 am до 1 pm, и расписание 3 может быть расписанием с 1 pm до 10 pm. Когда помещение 500 является комнатой в жилом доме, с помощью расписания 1 может определяться тонирование электрохромного окна 505 в целях приватности, а с помощью расписания 2 и 3 можно сбалансировать в комнате 500 свет и температуру.
В другом примере расписание 1 может быть расписанием для зимы, расписание 2 может быть расписанием для весны и лета, и расписание 3 может быть расписанием для осени. Расписания 1, 2, и 3 могут сбалансировать свет и температуру в комнате 500, учитывая особенности различных времен года, включая, например, изменения средней температуры, угла склонения и расположения солнца, характера осадков и т.п.
На Фиг. 6 и 7 представлен один из вариантов зависимости для определения уровня окрашивания, который может использоваться контроллером окна 450. Входными сигналами модуля формирования сигнала 465 может быть большее количество выходных сигналов различных датчиков, при этом функция, а также весовые константы функции могут подбираться соответственно. Кроме того, входными сигналами модуля формирования сигнала 465 может быть меньшее количество выходных сигналов. В некоторых других вариантах реализации изобретения зависимость, используемая для определения уровня окрашивания, является таблицей подстановки, в которой уровни окрашивания определяются для разных комбинаций значений выходного сигнала.
На Фиг. 8 представлена блок-схема способа ограничения энергопотребления в помещении, в которой установлено, по меньшей мере, одно окрашиваемое окно между внутренним и внешним пространством помещения. Уровнем окрашивания можно управлять автоматически; т.е., выходные сигналы от датчиков могут быть входными сигналами для контроллера окна, при этом контроллер окна может управлять состоянием окраски окрашиваемого окна, в зависимости от выходных сигналов от датчиков.
Как показано на Фиг. 8, в операции 805 принимаются выходные сигналы от любых двух или более датчиков. В некоторых вариантах реализации изобретения выходные сигналы от датчиков принимаются с помощью контроллера окна. В некоторых других вариантах реализации изобретения выходные сигналы от этих датчиков поступают в сеть, содержащую систему управления зданием или главный сетевой контроллер. Система управления зданием описывается ниже в разделе Система Управления Зданием. Датчики могут быть выбраны из группы, состоящей из внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, датчика присутствия, внешнего температурного датчика, и датчика пропускания, с помощью которого обнаруживается свет, проходящий через тонированное окно извне. В некоторых вариантах реализации изобретения в случае, если внутренний фотодатчик сориентирован в направлении окрашиваемого окна, выходные сигналы как от наружного, так и от внутреннего фотодатчика могут использоваться для определения количества света, проходящего через тонированное окно извне.
В некоторых вариантах реализации изобретения, также принятый выходной сигнал указывает на мощность или энергопотребление системы отопления, системы охлаждения и/или освещения в помещении. В некоторых вариантах реализации изобретения с помощью устройств, взаимодействующих с проводами цепей, обеспечивающих электропитание помещения, в котором установлено окрашиваемое окно, обеспечивается выходной сигнал, соответствующий мощности или энергопотреблению.
В операции 810, уровень окрашивания для окрашиваемого окна определяется с использованием взаимосвязи между выходными сигналами, соответствующими энергопотреблению, и уровнем окрашивания. В некоторых вариантах реализации изобретения, взаимосвязь приводит к тому, что сводится к минимуму энергопотребление системы отопления, системы охлаждения и/или освещения в помещении, тем самым обеспечиваются условия, подходящие для пребывания в помещении. Например, когда принимается выходной сигнал, указывающий на мощность или энергопотребление системы отопления, системы охлаждения и/или освещения в помещении, этот выходной сигнал может использоваться вместе с другими принятыми выходными сигналами для определения уровня окрашивания для окрашиваемого окна с целью минимизации энергопотребления.
В некоторых вариантах реализации изобретения зависимость является выражением, в котором уровень окрашивания является зависимой переменной, а выходные сигналы являются независимыми переменными; пример такой зависимости представлен на Фиг. 6. Контроллером окна принимаются выходные сигналы и вычисляется уровень окрашивания, на основе зависимости и выходных сигналов. В некоторых других вариантах реализации изобретения зависимость является таблицей подстановки, в которой уровни окрашивания определяются для различных комбинаций значений выходного сигнала. Такая таблица поиска может использоваться, например, когда окрашиваемое окно может находиться в конечном числе состояний (например, в двух состояниях, обесцвеченном и окрашенном, или в четырех состояниях).
В некоторых вариантах реализации способа 800, выходные сигналы включают сигнал от внешнего фотодатчика. Зависимостью, используемой в операции 810, требуется переход от первого более темного уровня окрашивания ко второму более светлому уровню окрашивания в случае, если выходной сигнал от внешнего фотодатчика превышает первое пороговое значение. Зависимостью, используемой в операции 810, также требуется переход от второго более светлого уровня окрашивания к первому более темному уровню окрашивания в случае, если выходным сигналом от внешнего фотодатчика превышается второе пороговое значение. Эти варианты реализации изобретения описываются ниже относительно к Фиг. 9 и 10.
Обращаясь снова к Фиг. 8, на этапе 815 предоставляются инструкции для изменения уровня окрашивания окрашиваемого окна до уровня, определенного в операции 810. В некоторых вариантах реализации изобретения это включает в себя подачу контроллером окна напряжения или тока для окрашиваемого окна для активации изменения уровня окрашивания, согласно инструкциям. Например, для контроллера окна 450, показанного на Фиг. 4, микроконтроллером 455 предоставляется инструкция PWM 460 для подачи напряжения и/или тока на окрашиваемое окно.
Способ 800 может реализовываться в рамках итеративного процесса, как описывается в операции 820, в блоке принятия решений. Например, в рамках автоматизированной программы для управления одним или несколькими электрохромными окнами, инструкции для изменения уровня окрашивания могут формироваться на основе заданной функции синхронизации, причем для формирования новых инструкций для окна контроллер выбирает выходные сигналы от датчиков после завершения заданного периода времени. Если период времени не закончился, то никаких дальнейших инструкций не требуется, и способ завершается. После того, как период времени закончился, операции с 805 по 815 повторяются. Блок принятия решений 820 также может основываться на любом количестве критериев, в зависимости от желаемого уровня управления одним или несколькими окнами. Например, блоком принятия решений 820 может выполняться запрос, имело ли место любое изменение на выходе одного или нескольких датчиков. Если ответ отрицательный, то способ завершается; если ответ утвердительный, то повторяются операции с 805 по 815.
На Фиг. 9 представлена блок-схема Способа 900, работы окрашиваемого окна, установленного между внутренним и внешним пространством помещения. Уровнем окрашивания можно управлять автоматически; т.е., выходные сигналы датчиков могут быть входными сигналами контроллера окна, при этом контроллер окна может управлять состоянием окраски окрашиваемого окна, в зависимости от выходных сигналов датчиков.
В операции 905 способа 900 на Фиг. 9 осуществляется прием сигналов, указывающих уровень внешней интенсивности излучения, измеренной на окрашенном окне или вблизи окрашенного окна. Внешний фотодатчик измеряет количество света, падающего на фото датчик, или интенсивность излучения. Освещенность тесно связана с интенсивностью излучения; освещенность является мерой интенсивности освещения на поверхности. Освещенность, тем не менее, основана на физической мощности, несмотря на то, что длинам волн присваиваются одинаковые весовые коэффициенты, в то время как освещенность учитывает то, что зрительная система человеческого глаза более чувствительна к некоторым длинам волн, чем к другим и, соответственно, каждой длине волны присваивается различный весовой коэффициент. На Фиг. 10 представлен график зависимости освещенности от времени в течение 24 часов, начиная с 0 часов (т.е. 12 AM) и заканчивая через 24 часа. Как показано, при 0 освещенность является малой, затем со временем увеличивается до времени около полудня, достигая максимума в полдень, а затем уменьшается в течение всего оставшегося дня.
В операции 910, уровень окрашивания для окрашиваемого окна определяется с помощью зависимости между принятыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. В зависимости, используемой в операции 910, требуется переход от первого более светлого уровня окрашивания ко второму более темному уровню окрашивания в случае, если выходной сигнал от внешнего фотодатчика превышает первое пороговое значение 1005. Для используемой в операции 910 зависимости также требуется переход от второго более темного уровня окрашивания к первому более светлому уровню окрашивания в случае, если выходным сигналом от внешнего фотодатчика достигается второе пороговое значение 1010. Первое пороговое значение 1005 и второе пороговое значение 1010 являются различными уровнями интенсивности излучения/освещенности. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения уровень интенсивности излучения/освещенности при втором пороговом значении 1010 ниже уровня интенсивности излучения/освещенности при первом пороговом значении 1005.
В операции 915 предоставляются инструкции для изменения уровня окрашивания окрашиваемого окна согласно уровню окрашивания, определенному в операции 910. В некоторых вариантах реализации изобретения операция 915 аналогична операции 815 на Фиг. 8.
С помощью способа 900 управления состоянием окраски окрашиваемого окна можно повысить энергосбережение в помещении, в котором установлено окрашиваемое окно. Например, помещение может освещаться солнечным светом рано утром, при этом снижается использование энергии для освещения. С изменением положения солнца температура в комнате начинает увеличиваться за счет солнечного света, проходящего через окрашиваемое окно, при этом увеличивается использование электроэнергии HVAC для охлаждения помещения, и состояние окрашиваемого окна меняется согласно первому пороговому значению 1005. Затем, когда солнце начинает заходить и количество солнечного света, проходящего через окрашиваемое окно уменьшается, при этом уменьшается использование электроэнергии HVAC для охлаждения помещения, и состояние окрашиваемого окна меняется согласно первому пороговому значению 1010, что может снизить энергопотребление освещения.
По аналогии со способом 800, способ 900 может содержать блок принятия решений как в способе 800. Например, решение повторить операции 905-915 может основываться на заданном циклически повторяющемся событии; например, если известна ожидаемая освещенность в течение 24-часового периода, освещенность выбирается в соответствии с заданным расписанием. В другом примере, если изменение уровня освещенности, измеренное с помощью фото датчика соответствует некоторому пороговому значению, то формируются новые инструкции для окрашивания и предоставляются окну(ам), в зависимости от изменения освещенности.
Способы, представленные на Фиг. 8 и 9 являются двумя способами управления состоянием окраски окрашиваемого окна. Возможны многие другие способы управления состоянием окраски окрашиваемого окна с использованием различных комбинаций датчиков и присвоением весовых коэффициентов выходным сигналам различных датчиков путем применения весовых функций.
Система Управления Зданием
Контроллеры окон, описанные в данной заявке, также применяются для интеграции с BMS. BMS является системой управления на основе компьютера, установленная в здании, с помощью которой осуществляется мониторинг и управление механическим и электрическим оборудованием здания, например, вентиляцией, освещением, системой электропитания, лифтами, противопожарными системами, а также системами безопасности. BMS состоит из аппаратных средств, в том числе соединений по каналам связи с компьютером или компьютерами, и соответствующего программного обеспечения для поддержания условий в здании, в соответствии с предпочтениями, заданными лицами, находящимися в здании и/или менеджером здания. Например, BMS может быть реализована с использованием локальной сети, такой как Ethernet. Программное обеспечение может основываться, например, на интернет-протоколах и/или протоколах открытых стандартов. Одним из примеров программного обеспечения является программное обеспечение от Iridium, Inc (Richmond, Virginia). Одним протоколом связи, обычно используемым с BMS является BACnet (автоматизированная система управления зданием).
BMS является наиболее распространенной в больших зданиях и, как правило, используется, по меньшей мере, для управления климатом в здании. Например, BMS может управлять температурой, уровнем углекислого газа, и влажностью внутри здания. Как правило, существует множество механических устройств, которые управляются с помощью BMS, например обогреватели, кондиционеры, вентиляторы, вентиляция и т.п. Для управления климатом в здании, при определенных условиях BMS может включать и выключать эти различные устройства. Одной из основных функций типичной современной BMS является поддержание комфортных условий для находящихся в здании при минимизации стоимости/энергопотребления для отопления и охлаждения. Таким образом, современная BMS используется не только для мониторинга и управления, а также для оптимизации взаимодействия между различными системами, например, для экономии энергии и снижения затрат на эксплуатацию здания. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер окна интегрирован с BMS, причем контроллер окна выполненный с возможностью управления одним или большим числом тонируемых или электрохромных окон. В одном из вариантов реализации изобретения одно или более электрохромных окон содержат по меньшей мере одно из твердотельных и неорганических электрохромных устройств. В одном варианте реализации изобретения одно или более электрохромных окон включают только твердотельные и неорганические и окна. В одном из вариантов реализации изобретения электрохромные окна являются электрохромными окнами с несколькими состояниями, как описано в заявке на патент США №12/851,514, поданной 5 августа 2010 года, под названием "Multipane Electrochromic Windows".
На Фиг. 11 представлена блок-схема варианта реализации BMS 1100, с помощью которой осуществляется управление рядом систем здания 1101, включая системы безопасности, отопления/вентиляции/кондиционирования воздуха (HVAC), освещением здания, энергетическими системами, лифтами, противопожарными системами и тому подобным. Системы безопасности могут включать магнитные карты доступа, турникеты, дверные замки с электромагнитным приводом, камеры наблюдения, охранную сигнализацию, металлодетекторы и т.п. Противопожарные системы могут включать пожарные сигнализации и системы пожаротушения, включающие управление водопроводом. Системы освещения могут включать внутреннее освещение, наружное освещение, аварийную световую сигнализацию, знаки аварийного выхода и аварийное этажное эвакуационное освещение. Системы электропитания могут включать сеть основного источника электропитания, сеть резервных электрогенераторов и сеть бесперебойных источников питания (UPS).
Кроме того, с помощью BMS 1100 управляется контроллер окна 1102. В этом примере, контроллер окна 1102 представлен в виде распределенной сети контроллеров окон, включающих главный сетевой контроллер 1103, промежуточные сетевые контроллеры 1105а и 1105b, и конечные контроллеры 1110. Конечные контроллеры 1110 могут быть подобны контроллеру окна 450, описанному в связи с Фиг. 4. Например, главный сетевой контроллер 1103 может быть расположен поблизости с BMS, и на каждом этаже здания 1101 может иметься один или несколько промежуточных сетевых контроллеров 1105а и 1105b, в то время как каждое окно здания имеет свой собственный оконечный контроллер 1110. В этом примере каждый из контроллеров 1110 контролирует определенное электрохромное окно 1101 в здании.
Каждый из контроллеров 1110 может быть расположен отдельно от электрохромного окна, управляемого этим контроллером, или быть интегрированным в электрохромное окно. Для наглядности только десять электрохромных окон 1101 в здании показаны как управляемые контроллером окна 1102. При типовой установке в здании может использоваться большее число электрохромных окон, управляемых контроллером окна 1102. В типичной установке может быть большое количество электрохромных окон в здании, контролируемой окна контроллера 1102. Например, представленный в данной заявке отдельный оконечный контроллер, которой управляет функциями одного электрохромного окна, также входит в объем реализаций изобретения, как это описывается выше. Описанные в данной заявке преимущества и особенности включения контроллеров электрохромных окон с BMS, где это целесообразно, более подробно описываются ниже в связи с Фиг 11.
Как изложено в данной заявке, один из аспектов описанных вариантов реализации изобретения BMS включает многоцелевой электрохромный контроллер окна. Путем использования обратной связи от контроллера электрохромного окна, BMS может, например, улучшить: 1) климатический контроль, 2) энергосбережение, 3) безопасности, 4) гибкость параметров управления, 5) повышение надежности и срока службы других систем за счет улучшения контроля и, как следствие, снижение стоимости обслуживания, 6) доступность информации и диагностику, 7) эффективное использование персонала за счет автоматического управления электрохромными окнами.
В некоторых вариантах реализации изобретения, BMS может отсутствовать или BMS может иметь место, но не может осуществлять связь с главным сетевым контроллером или осуществлять высокоуровневую связь с главным сетевым контроллером. В некоторых вариантах реализации изобретения главный сетевой контроллер может обеспечить, например, улучшить: 1) климатический контроль, 2) энергосбережение, 3) гибкость параметров управления, 4) повышение надежности и срока службы других систем за счет улучшения контроля и, как следствие, снижение стоимости обслуживания, 5) доступность информации и диагностику, 6) эффективное использование персонала за счет автоматического управления электрохромными окнами. В данных вариантах реализации изобретения во время технического обслуживания BMS не будет нарушаться управление электрохромными окнами.
На Фиг. 12 представлена блок-схема варианта реализации сети здания 1200. Как отмечалось выше для сети 1200 может использоваться любое количество различных протоколов связи, в том числе BACnet. Как показано, сеть здания 1200 содержит главный сетевой контроллер 1205, панель управления освещением 1210, систему управления зданием (BMS) 1215, систему управления безопасностью 1220, а также консоль пользователя 1225. Эти различные контроллеры и системы могут использоваться для приема входных данных и/или управления системой HVAC 1230, освещением 1235, охранными датчиками 1240, дверными замками 1245, камерами 1250, и тонируемыми окнами 1255 в здании.
Главный сетевой контроллер 1205 может функционировать подобным образом, как главный сетевой контроллер 1103, описанный со ссылкой на Фиг. 11. Панель управления освещением 1210 может содержать схемы для управления внутренним освещением, внешним освещением, аварийными сигнальными лампами, знаками аварийного выхода и аварийным этажным эвакуационным освещением. Панель управления освещением 1210 также может содержать датчики движения в помещениях здания. BMS 1215 может содержать компьютерный сервер, который принимает данные и выдает инструкции другим системам и контроллерам сети 1200. Например, BMS 1215 может принимать данные и выдавать инструкции о проблемах главному сетевому контроллеру 1205, панели управления освещением 1210, и системе управления безопасностью 1220. Система управления безопасностью 1220 может содержать магнитные карты доступа, турникеты, дверные замки с электромагнитным приводом, камеры наблюдения, охранную сигнализацию, металлодетекторы и т.п. Консоль пользователя 1225 может быть компьютерным терминалом, который может использоваться менеджером здания для планирования работ по управлению, контролю, оптимизации и устранению проблем в различных системах здания. Программное обеспечение от Tridium, Inc, может генерировать для консоли пользователя 1225 визуальные представления данных от различных систем.
С помощью каждого из различных органов управления можно управлять отдельными устройствами/оборудованием. Главным сетевым контроллером 1205 управляются окна 1255. Панелью управления освещением 1210 управляется освещение 1235. BMS 1215 может управляться HVAC 1230. Системой управления безопасностью 1220 управляются охранные датчики 1240, дверные замки 1245, и камеры 1250. Всеми различными устройствами/оборудованием и контроллерами, являющимися частью сети здания 1200, может осуществляться обмен и совместное использование данных.
В некоторых случаях системы BMS 1100 или сети здания 1200 могут работать в соответствии с ежедневным, месячным, квартальным или годовым расписанием. Например, система управления освещением, система управления окнами, HVAC, и система безопасности может работать по 24-часовому расписанию, учитывая когда люди находятся в здании во время рабочего дня. Ночью, в здании может вводиться режим энергосбережения, и в течение дня, эти системы могут работать таким образом, чтобы свести к минимуму энергопотребление здания, обеспечивая комфортные условия для находящихся в здании. В качестве другого примера, эти системы могут выключать системы или вводить режим энергосбережения во время праздников.
Информация о планировании может быть объединена с географической информацией. Географическая информация может содержать широту и долготу здания. Географическая информация также может содержать информацию о том, в каком направлении расположена каждая сторона здания. С помощью использования такой информации различными помещениями на разных сторонах здания можно управлять по-разному. Например, для помещений, находящихся с восточной стороны здания, в зимнее время контроллер окно может выдавать инструкции не закрашивать окна утром для того, чтобы помещение нагревалось за счет солнечного света, попадающего в помещение и панель управления освещением может выдавать инструкции уменьшить освещение, благодаря освещению от солнца. Окна, находящиеся на западной стороне, могут управляться утром находящимися в помещении людьми, потому что закрашивание окон на западной стороне не имеет никакого влияния на энергосбережение. Тем не менее, режимы работы окон, расположенных с восточной и западной сторон, могут изменяться в вечернее время (например, когда солнце садится, западные окна не закрашиваются, позволяя использовать солнечный свет как для тепла, так и освещения).
Описанный ниже пример здания, например, как здание 1101 на Фиг. 11, содержит сеть здания или BMS, закрашиваемые окна для наружных окон здания (то есть, окон, отделяющие внутренне пространство здания от внешнего), и множество различных датчиков. Свет, попадающий через внешние окна здания, как правило, оказывает влияние на внутреннее освещение в здании на расстоянии приблизительно 6 метров (20 футов) или около 9 метров (30 футов) от окон. То есть, пространство в здании, находящееся на расстоянии больше чем около 6 метров (20 футов) или около 9 метров (30 футов) от внешнего окна получает мало света от внешнего окна. Такие пространства, удаленные от внешних окон в здании, освещаются с помощью систем освещения здания.
Кроме того, температура в здании может зависеть от внешнего освещения и/или наружной температуры. Например, в холодный день здание отапливается отопительной системой, поэтому помещения, находящиеся рядом с дверьми и/или окнами, будет терять тепло быстрее, чем внутреннее пространство здания и будет в этих помещениях будет холоднее по сравнению с внутренним пространством.
В качестве наружных фотодатчиков могут использоваться датчики, находящиеся на крыше здания. Как вариант, здание может содержать внешний фотодатчик, связанный с каждым внешним окном (например, как показано со ссылкой на 500 на Фиг. 5) или внешний фотодатчик с каждой стороны здания. Внешний фотодатчик с каждой стороны здания может отслеживать интенсивность излучения/освещенность на стороне здания, в то время как солнце меняет свое положение в течение всего дня.
В качестве наружных температурных датчиков могут использоваться внешние температурные датчики, расположенные в нескольких местах с целью определения средней наружной температуры. В качестве внутренних температурных датчиков в каждом помещении, имеющем наружное окно, может использоваться внутренний датчик температуры. Кроме того, несколько помещений на каждой стороне здания могут содержать датчик внутренней температуры.
В качестве внутренних фотодатчиков и датчиков пропускания в здании могут использоваться внутренние фотодатчики и внутренние датчики пропускания в каждом из помещений, в котором установлено наружное окно. Кроме того, несколько помещений на каждой стороне здания могут содержать такие датчики.
В каждом помещении здания могут использоваться датчики присутствия, связанные с освещением и/или панелью освещения в помещении. В здании могут находиться измерители мощности для отдельных помещений или групп помещений (например, группа помещений, имеющих наружные окна с одной стороны здания). Расположение измерителя мощности будет зависеть от электрической схемы здания.
Что касается способов, описанных в связи с Фиг. 8 и 9, в которых контроллер окна интегрирован в сеть здания или BMS, выходные сигналы от датчиков могут быть входными сигналами для сети BMS и в качестве входного сигнала для контроллера окна. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения принимаются выходные сигналы от любых двух или более датчиков. В некоторых вариантах реализации изобретения принимается только один выходной сигнал, а в некоторых других вариантах реализации изобретения принимаются три, четыре, пять или более выходных сигналов. Эти выходные сигналы могут быть получены по сети здания или BMS.
Уровень окрашивания для окрашиваемого окна определяется с помощью функциональной зависимости между принятыми выходными сигналами и уровнем окрашивания. В некоторых вариантах реализации изобретения, определения уровня окрашивания включает использование информации о расписании для здания. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения информация о расписании включает время года, и/или информацию о времени суток для здания. В некоторых вариантах, информация о расписании дополнительно включает информацию о географическом расположении стороны, на которой расположено окрашиваемое окно, и широты здания. Для определения уровня окрашивания окон или весовых констант используется таблица подстановки, используемая также для определения изменения уровня окрашивания окон в соответствии с расписанием.
Для контроллеров окон и способов управления окрашиваемым состоянием окрашиваемого окна, описанного в данной заявке, могут использоваться различные датчики или комбинации датчиков. Различным датчикам или комбинации датчиков могут соответствовать различные "настройки датчиков" или "уровни". Например, использованию внешнего фотодатчика может соответствовать "уровень 0", использованию внешнего и внутреннего фотодатчиков может соответствовать "уровень 1", использованию внешнего, внутреннего фотодатчика и датчика присутствия может соответствовать "уровень 2", и использованию внешнего, внутреннего фотодатчика, датчика присутствия, и сигнала, указывающего потребление энергии или мощности отопительной системой, системой охлаждения, и/или освещением в здании (описано ниже) может соответствовать "уровень 3". Варианты реализации изобретения для каждого из этих различных уровней описываются дополнительно ниже.
В некоторых вариантах реализации изобретения, выходные сигналы включают сигнал от внешнего фотодатчика (т.е., уровень 0). Для определения уровня окрашивания используется зависимость, которая может включать выражение или таблицу подстановки, в которой уровень окрашивания является зависимой переменной, а сигнал от внешнего фото датчика является независимой переменной. В некоторых вариантах реализации изобретения в зависимости в операции 810 используется информацию о расписании, включающая время года и/или информацию о времени суток для здания. Например, в течение 24-часового рабочего дня могут использоваться разные зависимости для каждого календарного дня года.
В некоторых вариантах реализации изобретения выходные сигналы включают сигнал от внешнего и внутреннего фотодатчиков (например, уровень 1). Зависимость, используемая для определения уровня окрашивания может содержать выражение или таблицу подстановки, в которой уровень окрашивания является зависимой переменной, а сигналы от внешнего и внутреннего фото датчиков являются независимыми переменными. В некоторых вариантах реализации изобретения в зависимости в операции 810 используется информация о расписании, включающая время года и/или информацию о времени суток для здания. Например, в течение 24-часового рабочего дня могут использоваться разные зависимости для каждого календарного дня года.
В некоторых вариантах реализации данного изобретения принятые выходные сигналы включают сигнал от внешнего и внутреннего фото датчиков, а также сигнал от датчика присутствия (т.е., уровень 2). Зависимость, используемая для определения уровня окрашивания, может содержать выражение или таблицу подстановки, в которой уровень окрашивания является зависимой переменной, а сигналы от внешнего фотодатчика, внутреннего фотодатчика, и датчика присутствия являются независимыми переменными. В некоторых вариантах реализации в случае, если датчик присутствия указывает на то, что помещение свободно, для помещения может быть введен режим максимального энергосбережения.
В некоторых вариантах данного изобретения принятые выходные сигналы включают сигнал, указывающий на потребление энергии или мощности системой отопления, системой охлаждения, и/или освещением в здании. Например, потребление энергии или мощности отопительной системой, системой охлаждения, и/или освещением здания может контролироваться с целью предоставления сигнала, указывающего потребление энергии или мощности. С целью мониторинга устройства могут быть соединены или подключены к цепям и/или проводке здания. Кроме того, системы энергоснабжения здания могут быть выполнены с целью контроля мощности, потребляемой системой отопления, системой охлаждения и/или освещением для отдельного помещения в пределах здания или группы помещений в здании.
Например, в случае для освещения в здании, был получен сигнал, указывающий потребление энергии или мощности светильником, группой светильников, или системой освещения в здании. Светильник, группа светильников, или система освещения может содержать по меньшей мере один источник света на расстоянии около 20 футов или 30 футов от окрашиваемого окна, в части здания, для которой окрашиваемое окно может повлиять на освещение в этой области.
В качестве другого примера, в случае для отопления и/или охлаждения в здании, был получен сигнал, указывающий на потребление энергии или мощности отопительным или охлаждающим устройством, обеспечивающим регулирование температуры в пределах здания. Отопительным или охлаждающим устройством может отапливаться или охлаждаться часть здания в пределах около 50 футов от окрашиваемого окна.
В некоторых вариантах реализации изобретения настоящего изобретения полученные выходные сигналы включают сигнал от внешнего фотодатчика, сигнал от внутреннего фотодатчика, сигнал от датчика присутствия, и сигнал потребления энергии или мощности (т.е., уровень 3). Сигнал потребления энергия или мощности отображает потребление энергии или мощности системой отопления, системой охлаждения и/или освещением в здании или помещением в здании. С помощью зависимостей, используемых для определения уровня окрашивания, снижается потребление энергии системой отопления, системой охлаждения и/или освещением в здании, тем самым обеспечивая условия, подходящие для нахождения в здании.
Затем инструкции предоставляются для изменения окраски окрашиваемого окна до определенного уровня окрашивания. Например, на Фиг. 11, это может включать главный сетевой контроллер 1103, выдающий инструкции для одного или нескольких промежуточных сетевых контроллеров 1105а и 1105b, которыми в свою очередь выдаются инструкции для оконечных контроллеров 1110, управляющих каждым окном в здании. Оконечные контроллеры 1100 могут подавать напряжение и/или ток для окна с целью активации изменения окрашивания в соответствии с инструкциями.
В некоторых вариантах, здание, в котором установлены электрохромные окна и BMS, может быть зарегистрировано в системе или задействовано в программе запуска с помощью программы-утилиты или программ-утилит, управляющих электропитанием в здании. Программа-утилита может быть программой, уменьшающей энергопотребление здания в случае, если ожидается возникновение пиковой нагрузки. Программой-утилитой может быть отправлен сигнал предупреждения до появления ожидаемой пиковой нагрузки. Например, предупреждение может быть отправлено на день раньше, утром, или в пределах одного часа до появления ожидаемой пиковой нагрузки. Например, может ожидаться, что появление пиковой нагрузки произойдет в жаркий летний день, когда от программы-утилиты для систем охлаждения/кондиционирования понадобится большее количество энергии. Предупреждающий сигнал может быть получен от BMS здания или контроллеров окон, настроенных для управления электрохромными окнами в здании. BMS может выдать инструкции контроллеру(ам) окна для изменения состояния соответствующих электрохромных окон, чтобы окрашенное состояние привело к снижению энергопотребления систем охлаждения здания в момент ожидаемой пиковой нагрузки.
В некоторых вариантах реализации изобретения окрашиваемые окна для установки в качестве наружных окон здания (то есть, окна, отделяющие внутреннее пространство здания от внешнего) могут группироваться в зоны, причем окрашиваемыми окнами в зоне принимаются одинаковые инструкции. Например, группы электрохромных окон на разных этажах здания или разных сторонах здания могут находиться в различных зонах. Например, на первом этаже здания, все электрохромные окна на восточной стороне могут быть в зоне 1, все электрохромные окна с южной стороны могут быть в зоне 2, все электрохромные окна на западной стороне могут быть в зоне 3, и все электрохромные окна на северной стороне могут быть в зоне 4. В качестве другого примера, все электрохромные окна на первом этаже могут быть в зоне 1, все электрохромные окна на втором этаже могут быть в зоне 2, а все электрохромные окна на третьем этаже могут быть в зоне 3. В качестве еще одного примера все электрохромные окна на восточной стороне могут быть в зоне 1, все электрохромные окна на южной стороне могут быть в зоне 2, все электрохромные окна на западной стороне могут быть в зоне 3, и все электрохромные окна на северной стороне могут быть в зоне 4. В качестве еще одного примера, электрохромные окна на восточной стороне на одном этаже можно разделить на различные зоны. К зоне может относиться любое количество окрашиваемых окон на одной стороне и/или разных сторонах и/или различных этажах здания.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромными окнами в зоне можно управлять с помощью одного и того же контроллера окна. В некоторых других вариантах реализации изобретения электрохромными окнами в зоне можно управлять с помощью различных контроллеров окон, но каждый контроллер окна может принимать одни и те же выходные сигналы датчиков и использовать одну и ту же функцию или таблицу подстановки для определения уровня окрашивания окон в зоне.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромными окнами в зоне можно управлять с помощью контроллера или контроллеров окна, принимающих выходной сигнал от датчика пропускания. В некоторых вариантах реализации изобретения датчик пропускания может быть установлен вблизи окна в зоне. Например, датчик пропускания может быть установлен или на раме стеклопакета (например, установленный внутри или в середине горизонтальной части рамы), включенного в зону. В некоторых других вариантах реализации изобретения электрохромные окна в зоне, включающей окна на одной стороне здания, могут управляться контроллером окна или контроллерами, которые принимают выходной сигнал от датчика пропускания.
В некоторых вариантах реализации изобретения датчиком пропускания может предоставляться выходной сигнал для контроллера окна для управления электрохромным окном в первой зоне (например, зоне ведущего управления). Контроллером окна также могут контролироваться электрохромные окна во второй зоне (например, зоне ведомого управления) так же, как в первой зоне. В некоторых других вариантах реализации изобретения другим контроллером окна может управляться электрохромное окно во второй зоне так же, как в первой зоне.
В некоторых вариантах реализации менеджер здания, лица, находящиеся в помещении во второй зоне, или другое лицо могут выдавать инструкцию вручную (например, используя инструкцию от пользователя консоли BMS для изменения состояния окна в окрашенное или прозрачное) электрохромному окну во второй зоне (т.е., зоне ведомого управления) с целью изменения состояние окна на окрашенное или прозрачное. В некоторых вариантах реализации изобретения в случае, когда оттенок состояния окна во второй зоне переопределяется с помощью такой ручной инструкции, электрохромные окна в первой зоне (т.е. зоне ведущего управления) остаются под управлением контроллера окна, принимающего выходные сигналы от датчика пропускания. Вторая зона может оставаться в режиме ручного управления в течение определенного периода времени, а затем возвращается под управление контроллера окна, принимающего выходные сигналы датчика пропускания. Например, вторая зона может находиться в ручном режиме в течение одного часа после получения инструкции переопределения, а затем может быть возвращена под управление контроллера окна, принимающего выходные сигналы датчика пропускания.
В некоторых вариантах, менеджер здания, лица, находящиеся в помещении в первой зоне, или другое лицо может вручную ввести инструкции (например, с помощью инструкции окрашивания или инструкции от пользователя консоли BMS) для электрохромных окон в первой зоне (т.е., зоне ведущего управления), для изменения состояние на окрашенное или прозрачное. В некоторых вариантах реализации изобретения в случае, если с помощью такой инструкции, введенной вручную, переопределяется состояние окрашивания окон в первой зоне, электрохромные окна во второй зоне (т.е. зоне ведомого управления) остаются под управлением контроллера окна, принимающего выходные сигналы от внешнего фотодатчика. Первая зона может оставаться в режиме ручного управления в течение определенного периода времени, а затем возвращается под управление контроллера окна, принимающего выходные сигналы датчика пропускания. Например, первая зона может находиться в режиме ручного управления в течение одного часа после получения инструкции переопределения, а затем может быть возвращена под управление контроллера окна, принимающего выходные сигналы датчика пропускания. В некоторых других вариантах реализации электрохромные окна во второй зоне могут оставаться в окрашенном состоянии, в которое они перешли во время ручного управления первой зоной. Первая зона может оставаться в ручном режиме управления в течение периода времени, а затем как первая зона, так и вторая зона могут быть возвращены под управление контроллера окна, принимающего выходные сигналы датчика пропускания.
Для управления окрашиванием окрашиваемого окна может использоваться любой из описанных в данной заявке способов управления, независимо от того, является ли контроллер окна автономным контроллером окна или подключен к сети здания.
Беспроводная или проводная связь
В некоторых вариантах реализации изобретения контроллеры окна, описанные в данной заявке содержат компоненты для проводной или беспроводной связи между контроллером окна, датчиками и отдельными узлами связи. Беспроводная или проводная связь может обеспечиваться с помощью интерфейса связи, взаимодействующего непосредственно с контроллером окна. Такой интерфейс может быть встроенным в микропроцессор или выполненным с помощью дополнительной схемы, обеспечивающей эти функции.
Отдельным узлом связи для беспроводной связи может быть, например, другой беспроводной контроллер окна, оконечный, промежуточный или главный контроллер окон, устройство дистанционного управления, или BMS. Беспроводная связь используется в контроллере окна, по меньшей мере, для одной из следующих операций: программирование и/или работа ЕС окна, сбор данных от ЕС окон и от различных датчиков и протоколов, описанных в данной заявке и, использования ЕС окна в качестве ретранслятора для беспроводной связи. Данные, собранные от ЕС окон могут также содержать данные подсчета, например количество раз, когда ЕС устройство было активировано, эффективности ЕС устройства с течением времени, и тому подобное. Эти беспроводные коммуникационные возможности более подробно будут описано ниже.
В одном из вариантов реализации изобретения беспроводная связь используется для управления соответствующих электрохромных окон, например, с помощью инфракрасного (ИК), и/или радиочастотного (РЧ) сигнала. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер содержит беспроводную ИС для протоколов, например Bluetooth, EnOcean, WiFi, ZigBee, и тому подобное. Контроллеры окон также могут быть выполнены с возможностью беспроводной связи по сети. Ввод данных в контроллер окна может осуществляться пользователем вручную либо непосредственно, либо с помощью беспроводной связи, или ввод данных может осуществляться BMS здания, в котором установлено электрохромное окно.
В одном варианте реализации изобретения в случае, если контроллер окна является частью распределенной сети контроллеров, беспроводная связь используется для передачи данных каждому из множества электрохромных окон с помощью распределенной сети контроллеров, каждый из которых содержит компоненты для беспроводной связи. Например, на Фиг. 11 показан главный сетевой контроллер 1103, связанный с помощью беспроводной связи с каждым из промежуточных сетевых контроллеров 1105а и 1105b, которые, в свою очередь, связаны с помощью беспроводной связи с оконечными контроллерами 1110, каждый из которых связан с электрохромным окном. Главный сетевой контроллер 1103 может также быть выполнен с возможностью беспроводной связи с BMS. В одном из вариантов реализации изобретения, по меньшей мере, один уровень связи в контроллере окна выполняется с помощью беспроводной сети.
В некоторых вариантах реализации изобретения, в контроллере окна распределенной сети используется более чем один способ беспроводной связи. Например, главным контроллером окон может поддерживаться беспроводная связь с промежуточными контроллерами с помощью WiFi или Zigbee, в то время как промежуточные контроллеры связаны с оконечными контроллерами с помощью Bluetooth, Zigbee, EnOcean или другого протокола. В другом примере, контроллеры окна имеют резервные системы беспроводной связи для гибкости выбора пользователем вариантов беспроводной связи.
Например, беспроводная связь между главным и/или промежуточными контроллерами окон и оконечными контроллерами окон имеет преимущество, благодаря отсутствию монтажа жестких линий связи. Это также верно для беспроводной связи между контроллерами окон и BMS. В одном аспекте, беспроводная связь для этих целей применяется для передачи данных электрохромным окнам для работы окон и предоставления данных, например, BMS для оптимизации климата и энергосбережения в здании. Для такой оптимизации суммируются данные о местоположении окна, а также данные обратной связи от датчиков. Например, детализированная информация (от окна - к окну) о микроклимате подается BMS с целью оптимизации различных климатических условий в здании.
Хотя с целью облегчения понимания вышеописанные варианты реализации изобретения были представлены довольно подробно, описанные варианты следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что возможны определенные изменения и модификации, которые ограничиваются объемом прилагаемой формулы изобретения.