Fortælling/TA OTP-II-AAC prototype
Vedr 11000708 TA OTP-II-AAC prototype og 11000707 TA OTP-II-AAC
Prototype Optimiser/ analog computer styret af digital elektronik
Historie
Prototypen til løbende beregning af opstartstid for opvarmning af kolde bygninger, blev udviklet på basis af en Dansk Patent anmeldelse Nr. 1715/75. Princippet blev endvidere patenteret i England, Tyskland og USA Nr.4040565. Efter anmeldelsen i disse lande blev patentrettighederne, af indehaveren, overdraget tilTour & Anderson AB (TA)/Sverige og der blev ligeledes indgået en aftale om, at der skulle udvikles en Prototype for TA, endvidere et service modul/testbox til indstilling af enheden, samt et program (til en TI 59 kalkulator) mm. til beregning/fastlæggelse af de analoge justerbare komponenter i analogcomputeren, ud fra den aktuelle bygnings konstruktion. Både Prototypen, Servicemodulet og Programmet blev udviklet i parcelhuset i Hvidovre. Prototypen blev grundlaget for enheden kort beskrevet som
TA OTP-II-AAC ”Optimal Time Programmer-Adaptiv Analog Computer”.
Tour & Anderson AB/ TA OPT- II-AAC fik en Guldmedalje for enhed til avanceret energibesparelse ved International VVS messe Pragotherm 1978. Fig. 5
Om Prototypen (billedet TA OTP prototype 1 og 2 ,TA OTP-II-AAC ” er flyttet til Genstande ”.?):
Prototypen indeholder: Optimiserens analoge model og digitale kontrol kredsløb, følerforstærkere, potentiometre til simulering af temperaturfølere mm. På forpladen, RO-rum føler, WA-føler indsat i det dominerende indre termisk tunge bygningselement, OU-ude føler. OP-ønskede rum temp., LL- min temp. for rummet, kontakter mm. Power-supply, mekanisk uge-ur, eller relæer til opstart af motorer, som kan indkoble varmeanlægget ved opstart, var udeladt. Digitale komponenter og operationsforstærkere og bilaterale switche var i hovedsagen baseret på RCA CMOS/MOS Digital Integrated Circuits og Liniear Integrated Circuits. Forsyningsspænding 15 V.
Digital kontrol, samt fastlæggelse af den analoge models komponenter og ”tidstransformation”
Beregningsprocessen startes når kontakten (som simulerer det mekaniske urs fane) aktiveres, ved praktisk brug ca. 10 timer (valgbart) før bygningen skal være oppe på den ønskede temperatur. Samtidig startes en 8-bit (Realtids) tæller, Treal. Tællerens værdi svarer jævnfør ovenstående til den tid, der er tilbage før bygningens rumtemperatur skal være oppe på den ønskede værdi.
Beregningsprocessen i modellen gentages for hver opdatering af Treal, ca. hver 2,3 minut (10H/256=2,3 minut), hvor modelforsøget startes. Det undersøges om det er betids at starte opvarmningsprocessen (med fuld effekt), dvs. om den analoge models ”rumtemperatur” er kommet op på den ønskede værdi. Er den Ikke kommet op, startes anlægget. Dog ikke før næste kommende beregning ligeledes viser, at temperaturen endnu ikke er kommet op. To efterfølgende beregninger for at minimere sandsynligheden for at udefra kommende støjpulser virker forstyrrende på processen.
Valg af analoge komponenter i modellen (prototypen) samt ” tidstransformation”
Størrelsesorden for værdierne i et ”typisk bygningsrum” ansloges som følger:
Termisk modstand R: 10^-3 H°C/kJoule sættes til 20 kohm i modellen.
Varmekapacitet C : 1000 kJoule/°C sættes til 0,55 µF i modellen.
R x C giver 1 H for bygningen, i modellen 11 ms., 1 H i bygningen svarer således 11 ms. i modellen
( 1 ohm x 1 farad = 1 sekund ; 20 x 10^+3 ohm x 0,55 x 10^-6 farad = 11 millisekunder )
En forskel på realtiden og modeltiden (3600 S/(11ms) var ca. 327.272 Dette svarer til 2^15 x 10 (327.680). En 15 bit binær tæller, efterfulgt af en divide 10 tæller. Ved hver enkelt beregning i modellen loades tallet fra Treal op i en tilsvarende 8 bit tæller Tmodel, og forsøget i modellen startes. I forsøgets beregningsfase opdateres Tmodel, med en frekvens som er 327.680 gange højere end opdateringen af Treal. Når der kommer en Carry fra Tmodel undersøges, om rumtemperaturen i modellen er kommet op på den ønskede temperatur. Tilsvarende benyttes en Carry for Treal til at se, om bygningen i realtid kom op på den ønskede tidspunkt. Dette benyttes til at ændre på modellen, så den ved næste opstart, typisk et døgn efter, passer bedre til de faktiske forhold.
Om valget af kondensatorer, modstande / deres værdi i modellen
Valg af kondensatorer og modstande i modellen og valg af ”tidstransformation” hænger jævnfør ovenstående sammen.
Ovennævnte valg indebar følgende fordele:
Små pålidelige kondensatorer (uden lækstrøm) kunne anvendes. En enkelt aktiv kondensator, variabel med en faktor 10 fra ca. 0,5 til 5 µF, svarende til den dominerende indre termisk tunge bygningselement indgik.
Enheden ”arbejdede” i det lavfrekvente område.
Rimelige store værdier for kondensatorer indebar, at udefra kommende støj ”spikes” undertrykkes.
Beregningsintervallet blev kort, hvilket i sig selv gav mindre sandsynlighed for forstyrrende eksterne støj transienters indvirkning.
Treal kan i en fast service-mode opdatere hyppigere, således kan man simulere hurtigere realtid, dvs. måle hvor lang tid der går, i denne mode, til ”opstart”. Dernæst gange den målte tid med den tilsvarende faktor.
Forsøget i modellen kan endvidere, i en service mode, gentages så hyppigt, at temperaturkurven kan udtages fra modellen på et oscilloskop (fig. TA OTP prototype 3). En temperaturforskel på 1 °C, sattes til 30 mV, -40°C til 200mV.
Den Addaptive model
Den elektroniske simple analoge model (fig. TA OTP prototype 4) afspejlede kun med tilnærmelse den aktuelle bygnings virkelige forhold. Selv om man forsøgte at komme tæt på virkeligheden ved hjælp af data fra den aktuelle bygning og programmet i TI- 59 kalkulatoren, kunne der i praksis komme væsentlige afvigelser. Det var ønskeligt, at modellen automatisk (adaptivt) skulle kunne ”trække sig ind”, så modellen gradvis kom nærmere til at repræsentere virkeligheden. Af praktiske forhold, var det kun ”muligt” at ”indregulere” på én komponent i modellen. TA henviste til en ”ekspert” på et universitet i Skåne, som efter et møde foreslog, at komponenten i modellen, svarende til den ”termiske modstand” (fig. TA OTP prototype 4. RA) svarende til overgangsmodstanden mellem rumluften til det dominerende tunge bygningselement (CSY) var det mest optimale valg. Dette indebar, at RA skulle være en indstillelig ”Ægte Topol”, ( ”rimelig nøjagtig ”/”ingen produktions spredning), kontrolleret af en 4 bit up-down tæller/ hukommelse, opdateret via rum-temp. og Carry fra Treal). (Lidt af en udfordring, da et sådant simpelt kredsløb tilsyneladende ikke var kendt).
Mandags-fænomen eller kolde vægge
En udbredt ulempe ved opstart af meget, især termisk tunge, bygninger var, at de tunge bygningsdele fortsat var kolde, efter at rumtemperaturen var kommet op på den ønskede værdi. Denne kolde ubehagelige udstråling, kaldtes ”mandags-fænomenet”. Der blev taget højde for dette forhold ved i modellen at udtage ”temperaturforskellen” mellem rumluft og det dominerende tunge element, og lægge en del af dette signal til den ønskede rumtemperatur.
Forklaring til den termiske/elektriske model TA OPT fig 4.
Spændingen fra RT svarede til temperaturen for det varmegivende element, ved fuld effekt.
RP svarer til den termiske modstand, svarende fx til en radiators ”overflade”.
Kontakten mellem RT og Rp lukkes når ”opvarmningsforsøget” startes, tilsvarende vil de 2 øverste kontakter samtidigt åbnes. Deres funktion var at indlægge spændingen på henholdsvis Cs og Csy svarende til rum temperaturen (spændingen) indlagt via temperaturføleren FR og spændingen fra føleren FV, ved forsøgets start.
Føleren FV, som giver spændingen svarende til væggens indre temperatur, var typisk monteret, dvs. indsat inde i selve indervæggen, som typisk svarede til det termisk tungeste dominerende bygningselement.
Csy svarende til varmefylden for indervæggen. Csy var en aktiv kondensator med en variationsfaktor (indstillet jævnfør beregningen ved indreguleringen af enheden), på ca. 10, svarende til en almindelig ”operatorforstærker opkobling” med den ene pol mod ”stel”.
Cy svarede til den ydre vægs varmefylde. RY udetemperatur føleren. RA, RS, RL svarede til den termiske modstand mellem de tilsvarende bygningselementers varmefylde, der repræsenteres via Cs, Csy, Cy til udeføleren RY.
RD svarende til den termiske modstand for vinduer. Her antoges varmefylden for vinduer at være negligeabelt, den går derfor direkte mellem rummet og det ydre og uden kondensator.
Det dominerende element for kort tidsopvarmning var tidskonstanten for varmefylden Csy og den termiske modstand RA, fra rummet til indervæg Csy (RA x Csy). RA var også den termiske modstand, som i praksis kunne være svær at estimere ved indregulering/ beregning.
Denne tidskonstant blev reguleret via RA, efter hver real opvarmning af bygningen (adaptivt i 16 intervaller).
Som det ses, kræver opkobling at RA er en ægte (”svævende”) topol.
Dette blev opnået ved at indsætte en On-Off cmos switch (ikke vist, skiftende on/ off med meget korte tider for t-on og t-off), mellem Cs og RA , og styre t-on/t-off forholdet digitalt, således at den ladning/ ”strømmen” der overførtes blev bestemt af Ra multipliceret med forholdet mellem tiderne t-on/(t-on + t-off).
Tidligere enheder anvendt på dette tidspunkt til beregning af ”hurtig” opvarmning af bygninger, fx et Honeywells patent, var baseret på at anvende ulineære kurver sammenholdt med temperaturer.
Metoden som her anvendtes, udnyttede at:
Differential- ligningerne for varmelæren ”ligner/svarer” til dem for elektricitetslæren. Sagt på en forsimplet måde ”kurverne er ens”.
En ”væsentlig forskel er ”tiden, tidsforløbs forskellen”, men den er konstant, bestemt af bygningens fysiske konstanter. Dette at tidsforholdet fx at 11 ms. i elektronikken kan omsættes til en time , udnyttes til forudberegning i forsøget og dernæst skifte frekvensen på en tæller.
Jørn Uffe Christiansen