供暖通风和空调管理系统及方法解读.docx

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供暖通风和空调管理系统及方法解读

供暖，通风和空调管理系统及方法

发明人：

本杰明伯顿，南华克（英国）

申请号：

13/246,013

申请日：

2011.9.27

摘要

根据出口温度（送风）及进口空气（回风）温度传感器所传导的信号，控制一个供暖，通风和空调系统的运行。

利用预定温度点，进、出口温度信息，首先通过冷却阀门维持室内温度，不足时，辅助风扇运行。

这个现有的发明通过避免单位负载跳变和减小能耗使得HVAC系统的运行更加有效。

14个权利声明，5份工程图纸

发明领域

现有发明的实施方案主要与供暖、通风和空调系统（HVAC）这一领域相关。

特别相关于使用于商业空间的高效节能的HVAC系统。

发明背景

HVAC系统被广泛运用于各种领域，并在无形中被各种各样的工业所依赖。

例如，被使用于单个家庭，多层办公建筑，甚至是复杂且高度自动化的计算机数据中心。

现代HAVC系统可以通风，减少空气渗入并维持室内的相对压力。

同时，运行这套系统的成本非常高。

例如，一个使用在计算机数据中心的大型HVAC系统，其一年维护费用和电费就达到成百上千万美元。

典型的一兆瓦数据中心每年消耗电能1.6千万千瓦时，相当于平均1400个美国家庭一年总的能源消耗。

计算机服务和数据中心每年的总能耗已上升到了10亿千瓦时，在美国大致相当于7千万美元。

到2010年，全球数据中心的电力消耗将占到全球总能耗的1.1%~1.5%，而在美国，将占到1.7%~2.2%。

同时，这些服务和数据中心将排放占总量0.5%的温室气体，并很有可能在2020年时翻一倍。

这些高额的费用主要是由这些大型系统的低能效导致。

可以明显的看到，尽管HVAC系统在规格和功率上有所不同，但应用于高科技计算机数据中心和普通家庭的HVAC系统几乎是以同一种工作方式运行。

另外，大型HVAC系统中的机组并不是共同运行，而是单独被电力系统所牵引。

这些单独的机组并不被中心控制器或计算机所控制，而是独立的运行，维持相应个体空间的空气。

经常在控制室内温度，湿度和压强上相互竞争。

例如，在当前的HVAC系统中，每个机组通过它们自己的温度传感器来控制风扇和冷却阀门，而不是机组间相互协调的共同工作。

这种工作方式直接导致了低能效。

传感器的局限性加剧了机组间缺乏直接交流以及不均匀的运行，也就是所说的负载跳变。

例如，当附近的机组低效运行或是闲置时，其他机组需要以最大功率工作。

另外，它导致了每个HVAC机组在尝试和相互竞争从而冷却房间时，不断激活、失活和调整的过程。

这些机组经常超调或过冲目标温度，导致了其他机组随之不合理的调节，也使得这种情形下，所有机组达不到设定的目标温度，从而无限循环的调整。

引起了地面温度分布不均和限域供应。

这种方法导致了机组元件故障频率大以及低效率运行。

由此，我们需要一个更好的方法通过避免负载跳变和降低能耗，使HVAC系统更加有效的运行。

这个控制HVAC的方法可以使相关的公司和美国家庭每年节省成百上千万的费用，并且减少一定的温室气体排放量。

发明简介

这个现有的发明通过引进一套根据进口及出口空气温度传感器所传导的信号而进行供暖、通风和空气调节的系统及方法，满足以上描述的所有要求。

通过这些信号来控制风扇速率和冷却阀门开度，并且，相对风扇，优先使用冷却阀门以降低室内温度。

这些机组虽然是独立的，但可以有效地共同运行，从而维持室内温度和室内空气质量。

另外，利用出口空气温度控制冷却阀门，从而避免负载跳变。

一方面，现有发明的实施方案提供了一套配置供暖、通风和空调系统的方法，包括至少一台含有控制线路的HVAC机组，一个接收进口及出口空气温度信号的步骤，再基于这些传导信号从而控制HVAC机组风扇及冷却阀门。

方案中，包括根据至少一个进口空气温度信号和出口空气温度信号从而产生冷却阀门传导信号的步骤。

基于进口和出口空气温度信号间的冷却阀门传导信号的提高，可以控制冷却阀门增加至少一个出水量。

在其他方案中，以进、出口空气温度信号的比值控制冷却阀门。

同时，基于冷却阀门运行能力，风扇以最小速率工作。

在实例中，只有当冷却阀门以最大功率工作时，风扇的运行速度大于其最小设定值。

另一方面，这套HVAC系统的机组包括：

一台风扇，一个冷却阀门，一个耦合风扇及冷却阀门的处理器。

处理器随着从控制线路上收到的进口空气温度信号和出口空气温度信号执行指令，基于这些信号控制风扇和冷却阀门。

在一套实施方案中，执行指令根据进口空气温度信号和出口空气温度信号产生冷却阀门传导信号，基于传导信号的增加，冷却阀门控制其出水量的变化。

在另一套实施方案中，通过进口空气温度信号和出口空气温度信号的比值来控制冷却阀门。

与此同时，基于冷却阀门运行能力，风扇以最小功率工作。

在实例中，只有当冷却阀门以最大功率运行时，风扇运行的速度大于最小设定值。

附图简介

为了更好的对现有发明有一个全面的了解，可参考下面的附图，就像是元素引用数字一样。

现有发明并不局限于这些附图，它们只是一个范例。

图一是HVAC系统配置和运行的流程图。

图二表示了一个数据室的楼层平面图，基于现有的HVAC系统。

图三表示了一个含有中央计算机的数据室楼层平面图。

图四是现有发明HVAC机组的一个示意图。

图五是说明HVAC机组运行方式的流程图。

该发明的详细描述

现有的发明提供了一套供暖、通风及空调系统。

为维持室内温度和空气质量，系统中的多个机组基于各机组的进、出口空气温度传感器共同运行。

系统的配置方法表示在图一中。

为维持室内温度，首先利用冷却阀门，不足时，辅助以风扇。

在步骤100中，系统中的机组都可以接收进口空气温度信号。

信号进入机组中，提供空气温度信息。

这个温度与室内环境温度及其他机组附近的温度很相近。

同理，一个出口空气温度信号被接收，提供了被HVAC机组处理后的出口空气温度。

在多数方案中，进口空气温度将高于出口空气温度。

从传感器中传导的温度信息将被储存，用于随后的分析。

在特定的方案中，HVAC机组基于接收的历史温度信息，从而控制风扇和冷却阀门。

在特定的方案中，一个用户的输入同样会被接收，包括各种各样将被用于控制HVAC机组运行时所设定的温度。

例如，用户将提供特定的进口空气温度和出口空气温度，并存放于HVAC机组。

在参考的方案中，每个机组被提供的进口空气温度将由用户设定，相应的出口温度是根据机组对于实时温度在同一程度上的反馈值。

其他信息将被输入和储存，包括风扇运行的给定最小百分数、风扇的升温速率、冷却阀的开口率。

由用户设置的风扇给定最小百分比是其运行时的最小速率。

这个值可以是使每台HVAC机组风扇运行时最节能的值。

例如，在特定方案中，这个值也许是风扇最大功效的70%。

当机组运行时，风扇的升温速率和冷却阀的开口率决定了风速的大小及阀门开闭的次数。

例如当房间温度较高时，风扇的升温速率将决定风速的每分钟所增加的值。

同理，当房间温度较高时，冷却阀的开口率将决定阀门每分钟开闭的次数。

在步骤108中，出口空气温度与入口空气温度相比较。

一个参考的方案中，出口空气温度首先与一个系统使用者所设定的出口温度值相比较，当超出所设定的温度时，将传导一个冷却阀门信号。

同样，进口空气温度与系统使用者所设定的进口温度值相比较，当高于其设定时，传导一个冷却阀门信号。

这个被传导的信号接着被比较。

信号越高，要求冷却阀门以更大的工作效率运行。

在一个方案中，实际温度和设定温度相差较大时，便产生一个冷却阀门传导信号从而控制其运行。

在其他方案中，当进、出口空气温度不等于其设定值时，传导信号便会产生。

其他一些比较进出口空气温度的方法也可以在现有发明中使用。

在一些特定方案中，进口空气温度信号相对于控制冷却阀门，由更高的优先权。

这样，产生传导信号的出口空气比值要大于某个百分比。

反过来，比较的结果，使冷却阀门基于一个设定的方式运行。

在步骤116中，根据所接收的温度传感器信号控制冷却阀门，以及最小速率控制控制机组中的风扇，例如设定的风扇速率最小值。

在特定的方案中，一般选取最节能的风扇运行速率。

因此风扇的运行可能被控制在最大工作能力的70%。

在其他一些方案中，设为最小值，例如风扇功率的10%。

因此，冷却阀门主要用于控制室内温度，而风扇一般运行在最节能的速率环境下。

令风扇处于常速，当室内温度改变时，冷却阀门相应发生改变。

采用这样的方法可以避免负载跳变，因为机组不再不断的尝试调整两个独立的变量以冷却房间。

在一些特定方案中，冷却阀门单独的控制不能有效地降低室内温度。

许多时候，房间的温度太高，制冷阀门完全打开以100%的功率运行也不能有效地降低室内温度。

这时，HVAC机组相应的控制配置的风扇。

在步骤120中，发现冷却阀门以最大工作能力在特定的时间段内运行，风扇的速率开始以超过其预定的最低速率开始增长。

直到冷却阀门不再以100%的功效运行时，风扇速率停止增长。

在一些特定的方案中，在风扇重新计算的特定时间内，冷却房间的最佳速度将被确定。

更多情况下，当进出口空气温度信号不在使冷却阀门以100%功率运行，风扇速度自动的重新回到最小设定值。

有些方案中，风扇速度缓慢降低，直到最小设定值。

这可以确保冷却能力减少的超调，以免房间温度再一次超过设定值。

现有发明可以被应用于商业环境、大型居民区或者其他一些要求复合HVAC机组的较大、温度要求严格的区域。

在一个特殊的参考方案中，现有的发明被用于电脑房以维持计算机周边的空气温度。

数据中心200的楼层平面图包括一个绘制在图二中的系统。

这个系统在工业上被称为“计算机室空调系统”可用于横跨上百亩的数据中心，至今，仍要求每个服务器上的温度保持恒定。

在数据中心200的相对描述中，这地面上布置有有多个HVAC机组202、202’。

在这样的设置里，机组由服务器的位置而被定位。

如图二所描述，这里有多个安装在机架上的服务器204、204’和多个HVAC机组布满了整个房间的墙壁。

因此，这里可能有很多的HVAC机组对应于一个或多个服务器204、204’。

每个HVAC机组202，202’，通过制冷、供暖、除湿、加湿，从而维持所在区域的温度。

对于一些冗余的目的，一片区域中最好有一台以上的HVAC机组，这保证了当某台HVAC机组失效时，其所在区域温度的恒定，从而避免服务器受损。

在CRAC系统的方案中，服务器204、204’被定位在一个被升高的地板上，为地下通风提供一定的空间。

每个CRAC机组接收地面以上的相对高温空气，并在被提升的地板之下释放冷空气。

冷空气流过地板以下部分，在通风口处被释放。

因此，创建了一个空气流通系统，服务器产生的热空气可以被及时的排出。

现有发明的方案中，单个的HVAC机组202,202'并不被中央控制器或是计算机所控制。

相反，每个机组独立运行各自维持周边空气状况。

这种模式在HVAC系统中十分普遍的应用于商业及居住环境。

每个机组被连接的计算机单独控制。

在其他的方案中，单个的CRAC机组会与一个中央计算机相连接，并被控制。

如图三所示，系统中单个的HVAC机组302、302’和306将与中央计算机310连接。

中央计算机310有能力规划每个HVAC机组在不同的所需方式下工作。

中央计算机可以根据入口空气温度和出口空气温度来控制每个机组的风扇速度和冷却阀开口度。

因此，在这样一个系统中，中央计算机316可以控制进出口空气温度。

在该发明的其他一些实例里，中央计算机将给予服务器304的进程，设置并自动的改变相应HVAC机组上的温度。

因此，例如当系统中的服务器308开始大幅度的运行工作，，并以更高的频率运行，其周围的温度也随之上升，这时，中央计算机310自动的控制HVAC机组的冷却阀门或风扇。

在这些实例中，服务器304、304’、308与中央计算机310相连接（连接未显示）。

当服务器的工作进程开始加大，或是达到一个特定的水平，中央计算机310将收到一个来自于服务器308的信号或是自动检测服务器112上的高负载，中央计算机310将参与服务器308周边温度变化的改变，或是令邻近服务器308的CRAC机组306开始制冷，像是改变HVAC机组的设定温度，使得增大冷却阀门的