自动使区域管道的风门位置最优化的方法和系统

摘要

一种控制系统，其起作用以执行一种方法，该方法用来确定多区HVAC系统的多个区域中的每一个区域的最大所需气流，和到达那些区域的预期的气流。部分地，这些确定是基于一种算法，该算法计算通向每个区域的管道的相对大小。对于每个区域将预期的气流和最大气流进行比较，并且如果任何区域的预期的气流超过其最大气流，则采取某些步骤以减少到达那个区域的气流。

说明书

相关申请

本申请要求2004年1月20日提交的、题为“Method and System forAutomatically Optimizing Zone Duct Damper Positions(自动使区域管道的风门位置最优化的方法和系统)”的序列号为60/537717的临时专利申请的优先权，该临时申请的公开内容在此全部并入作为参考。

技术领域

本申请涉及一种用于调节多区采暖、通风和空调(HVAC)系统中的区域风门的位置，以保证过度高水平的空气不会流入任一个区域中的方法和系统。

背景技术

多区HVAC系统是公知的，其包括用于改变空气温度和空气条件的(多个)部件(炉子，空调器，热泵等等)。为简单起见，将这些部件统称为温度改变部件。此外，室内空气处理器通过供应管道将空气从温度改变部件驱送到建筑物内的几个区域。每个供应管道通常都具有风门，可以控制风门以限制或允许空气流入每个区域，从而获得所希望的温度。

空气处理器在大多数工作条件下都输送固定量的空气，并基于风门位置和每个管道相对于其它管道的大小在几个区域之间分配该空气。当风门之一关闭时，额外的空气将被驱动通过其它的风门打开的供应管道。有时，这可能使得流入任一个区域中的空气量变得比所希望的高。选择风门位置以获得那个区域中的所希望的温度，并且如果额外的空气被驱动通过供应管道进入一个区域中，则通常，那个区域可能被过度调节。

另外，当流入任一个区域中的空气量增加时，那个区域中的噪音水平也增加，有时，该噪音水平可能变得令人不快地高。

通常，现有技术包括用于允许过量空气返回到供应或返回管道并回到温度改变部件的压力响应旁路。该旁路对可以流入任何区域中的空气量设置了上限。然而，该方案需要为旁通阀花钱并且需要安装旁通阀。而且，通过使已经被调节过的空气返回到返回管道，到达温度改变部件的空气不会处于根据环境空气预期的温度。照此，可能出现另外的问题。

发明内容

在公开的本发明实施例中，控制器执行一种评估每个区域的最大气流和所有区域的预期的气流的方法，将两者进行比较，并且如果任一个区域的预期的气流超过其最大所希望的气流，则采取某些步骤以将进入那个区域的实际气流减到最小。

在一个实施例中，控制器询问是否能减少总的系统气流，并且如果这是可能的，就减少总的系统气流。此外，系统询问未居住区域的设定值是否能被调节以接收更多空气。未居住区域对于温度变化或额外噪音的敏感性很可能小于居住区域。如果能改变未居住区域的设定值，则改变未居住区域的设定值。如果仍然需要进一步的改变，则系统针对居住区域询问同样的问题。

最后，系统询问是否能将温度改变部件改变到一些其它级别，如果能，则这么做。

为了计算每个区域的最大气流和预期的气流，系统依靠独特的算法，以便计算每个区域的相关区域管道大小。

从下面的说明书和附图，能最好地理解本发明的这些和其它特征，下面是附图说明。

附图说明

图1是建筑物HVAC系统的示意图；

图2是本发明的方法的流程图；

图3是本发明的一部分的流程图；

图4是在图3的流程图之后的步骤的流程图；以及

图5表示控制器的示例性显示。

具体实施方式

一个多区HVAC系统在图1中由附图标记20示意性地示出。用于改变空气条件的温度改变部件22，例如室内单元(炉子/加热线圈)和/或室外单元(空气调节装置/热泵)，与室内空气处理器24相关联。空气处理器24从返回管道26获得空气并将空气驱动进入到强制通风系统31中，和多个与建筑物中不同的区域1、2和3相关联的供应管道28、30和32中。如所示的，在每个供应管道28、30和32上都设有风门34。控制器，如微处理器控制器36控制风门34、温度改变部件22、室内空气处理器24，并且还与各控制器130通信，控制器130与每个区域相关联。控制器130本质上可以是允许用户用来对每个区域相对于其它区域设定所希望的温度、噪音水平等等的恒温器。此外，控制器130优选地包括用于将实际温度传回给控制器36的温度传感器。

在一个实施例中，控制器36安装在其中一个恒温器控制器130内，并通过控制线路配置，如2004年1月7日提交的、题为“SerialCommunicating HVAC System(串行通信的HVAC系统)”的共同未决的美国专利申请系列号10/752626中公开的，作为一个系统控制器与全部其它元件通信。如公开的，控制器36能接收与这些系统部件中的每一个相关的构形(或配置)信息，以便控制器36了解元件22、24、30和34的个体特性，该特征的细节可以与在2004年1月7日提交的、题为“Self-Configuring Controls for Heating，Ventilating and AirConditioning Systems(用于采暖、通风和空调系统的自构形控制器)”的共同未决的美国专利申请系列号10/752628中公开的一样。这些申请中每一个的公开内容都在此并入作为参考。

在现有技术中，由空气处理器24驱动送到每个区域1、2和3的空气量有时会变得过多，可以将风门34打开或关闭以限制或允许额外的气流进入区域1、2和3。尽管存在被驱动成完全打开或完全关闭的风门，本发明在此公开为与这样一种风门一起使用，即该风门不但具有完全打开和完全关闭位置，而且具有几个递增的关闭位置。在一个示例中，在完全打开和完全关闭之间存在有16个风门递增位置。当关闭风门34中的任一个以减少在那个区域中进行的调节时，额外的气流就被驱动送到打开得较大的风门，这有时可能导致将太多的空气输送到多个区域中的一个，从而可能引起过大的温度变化，并可能导致不适当的噪音。在现有技术中，可以使压力响应旁通阀与管道28、30、32或强制通风系统31的上游相关联。空气的旁通具有不希望有的特性，因为它需要额外的阀、管道等等，从而使组件变复杂。通常，旁通空气通过返回管道26返回到温度改变部件22。因此，靠近温度改变部件22的空气已经被改变成远远不同于周围环境，并且对于有效操作来说可能太冷或太热。

为此，希望找到一种保证不会有不适当的空气量通过任一个管道28、30和32流到区域1、2和3中的可选择方式。当然，在许多系统中，可以存在有多于或少于三个的区域，然而，对理解本发明来说，三个区域足够用了。

图2中示出了用来消除旁通需要的风门控制的流程图。在步骤50，为每个区域1、2和3设定一个区域气流极限。控制器130可以设有允许设定这些极限的输入设定装置，例如，控制器130可以设有使最大气流极限为低档、标准档、高档或最大档的设定装置(或设定值)，这些设定装置以气流增加时的潜在的额外噪音的所预料代价增加允许额外的被调节的空气进入区域中的权重。因此，最关心减小噪音的用户可以将控制器设定到低水平。此外，包括一些工厂设定的默认值。在较简单的设计中，仅仅使用默认值可能就很好，且不提供该默认值的任何操作者替换值。

本发明包括由控制器36协调的、在将系统安装到位后立即执行并且从那时以后周期性重复执行的自动管道大小(或尺寸)评估步骤52。该管道大小评估过程包括测量过程和计算过程。

在最初的测量过程中，控制器36暂时关掉温度改变部件22，该过程总体上在图3中示出。控制器36指令所有区域的风门34完全打开，然后控制器36指令系统空气处理器24将最大系统气流的预定的小部分(测试气流)输送到强制通风系统31和管道28、30、32中，空气处理器24确定其鼓风机马达的速度并将该信息通知给控制器36，控制器36将该信息存储在存储器中。接着，控制器36关闭除第一区域的风门之外的所有风门34，仍然要求空气处理器24输送与之前相同的测试气流，并且它向控制器36报告新的鼓风机马达速度。如下面解释的，相关的鼓风机速度表示管道中的相关限制。以这种方式，顺序地，打开系统中每个区域的风门34，同时关闭所有其它区域的风门34。在该顺序的每个步骤中，空气处理器34输送相同的气流，并记录由此引起的鼓风机速度。最后，关闭所有区域的风门34并强制相同的测试气流通过风门34或它们周围的管道28、30、32、34中的任何漏隙。再次记录鼓风机速度。这样，对于具有n个区域的系统来说，总共进行n+2次的鼓风机速度测量(SP)；

针对所有区域打开情况的SP_开；

针对所有区域关闭情况的SP_关；和

针对每个区域本身(或单独)打开情况的SP_i。

应该注意，在上述测量过程中，风门可以在两个不同位置部分地打开，而不是完全打开和关闭风门。此外，在所述顺序的不同步骤中可以使用不同的测试气流水平。如果选择了这些变化，则可以通过调节下面所示的计算过程来适应这些变化。本领域的技术人员会了解怎样对计算进行调节来获得所希望的结果。

将速度测量转变成管道静压力测量，如下所示。因为没有传感器，所以该实施例具有一些好处。替代方案是要通过使用经济且可靠的压力传感器用直接管道压力测量代替速度测量。

在图4中示出了确定管道大小的计算过程。最初，基于鼓风机速度确定一系列空气处理器静压力(ASP)，在2003年4月30日提交的、题为“Method of Determining Static Pressure in a Ducted Air DeliverySystem Using a Variable Speed Motor(在使用变速马达的管道空气输送系统中确定静压力的方法”的共同未决的美国专利申请系列号10/426463中公开了用于确定这些静压力的算法。该申请的全部公开内容在此并入作为参考，特别是，将确定跨置(或经过)系统的静压力的算法结合进来。该算法将跨置空气处理器单元24(从其入口到其出口)形成的静压力与1)通过它输送的气流，2)其鼓风机马达的速度和3)依据空气处理器的物理特征的预定常数联系起来。

如上所述，控制器36接收系统20中的全部响应部件上的初始构形(或配置)信息，在该自构形过程中，或者在系统的安装过程中，空气处理器单元24与控制器36通信并提供其特征常数。系统控制器用上述申请中的公式计算跨置空气处理器单元的静压力，所述公式中包括空气处理器单元24的单元特征常数、指令的气流和测得的鼓风机速度。如图4中所示，在打开和关闭所有风门34的情况下重复这些计算(基于鼓风机速度)，然后每次计算在仅仅打开一个风门的情况下进行，这导致n+2个ASP的计算值，每个测量结果对应一个计算值。将这些计算值标记为ASP_开、ASP_关、ASP1、ASP2......ASP_n。在备选实施方案中，空气处理器单元24处的控制器本身能进行同样的计算并将计算出的静压力通知给控制器36。

在计算中利用的另一个原理是众所周知的“平方律(squarelaw)”，其使跨置任何管道段或被动设备单元的静压力与通过该管道段或被动设备单元的气流联系起来。平方律规定，静压力与气流的平方成正比(或随之变化)。尽管简化了变量之间较复杂的关系，但该定律已证明在用于居住系统中的空气速度方面通常是有效的。

利用ASP值计算固定静压力(FSP)值。如图1中所示，跨置空气处理器单元24形成的静压力在跨置气流经过的任何外部设备单元(如过滤器和外部空气调节装置线圈)和整个管道系统、供应侧28、30、31、32和返回侧26之后下降。每个区域的风门34都控制将空气输送到该区域的供应管道段。在本发明的系统中，在返回管道26中没有风门。因此，返回管道、外部设备单元和风门之前的供应管道组成系统的“固定”部分，全部系统空气总是流过该“固定”部分。这意味着，对于相同的系统气流，越过这些元件之后的组合压力降、固定静压力(FSP)是相同的，而与风门位置无关。因此，FSP对于全部n+2次测量是相同的，该FSP本身是通过计算过程确定的未知量。

通常称为可变静压力(VSP)的参数是越过供应管道段、越过风门34且在风门34下游的静压力，当测量过程引导同样的系统气流穿过用于每个区域的相对大小不同的管道段时，VSP值改变。由于压力需要在整个环路(空气处理器，供应侧，室内空间，返回侧)上均衡，所以对于每个测量步骤：

ASP＝FSP+VSP

任何测量步骤中的VSP表明打开的管道段的大小，管道段被限制得越多(尺寸越小)，对于相同的系统气流来说，越过它之后的静压力(VSP)越高。因此，管道段大小与VSP成反比关系。根据气流体积方便地计算管道段大小，以便容易地确定其在整个系统气流中的合理份额。为此，利用气流和压力之间的上述平方律关系，管道段大小与VSP的平方根成反比。现在的需要是确定管道段的相对大小，将每个区域的管道大小计算为整个供应管道系统(所有区域)的一小部分(或百分比)，因而，如下计算将被标记为SLi的区域i的相对管道大小：

(或SQRT(VSP_开/VSP_i))

为了提高精确性，本发明的系统识别系统泄漏。即使在所有风门34都关闭的情况下，空气也仍能流动。这是因为风门34不是完美的，且一些空气可以漏过去。此外，管道31、28、30、32也可能有泄漏。在一些家庭中，该泄漏可能相当大。那就是为什么在所有风门都关闭的情况下进行最后的测量的原因。可以如上精确地计算“相对大小”的泄漏：

(或SQRT(VSP_开/VSP_关))

由于泄漏有效地加到了每个区域的管道段的外观大小上，所以需要将它减去，因而，修正的区域管道大小是：

S_i＝SL_i-泄漏(LEAK)

上面的计算使用ASP值。然而，为了计算相应的VSP值，一个人必须确定FSP值，然后使用下面的公式：

ASP＝FSP+VSP

模拟整个管道系统并应用平方律和其它关系导致非常复杂的数学模型并且需要解多元非线性代数方程。相反，本发明的一个方面是以对FSP值的“初始猜测”开始，然后根据已经算出的ASP值，能算出相应的VSP值。然后，通过上面的公式，能算出每个区域的相对大小和泄漏大小。由于所有这些大小是完全打开的管道系统的百分数，所以这些百分数的总数必须达到100％。使用如图4中所示的计算机迭代程序，反复调节FSP的值直到所有区域大小加泄漏大小的总数达到100％为止。在该点，确定FSP和所有区域相对大小的修正值。图5表示在管道大小评估过程中在控制器36上的显示屏和在该过程结束时显示的结果。

在该点，步骤52结束并且控制器36已计算出用于区域管道28、30和32的相对区域管道大小。一旦相对区域管道大小的这个计算已经完成，则它在系统的使用寿命期限内都应该是比较可靠的。虽然如此，也可以周期性地重复该计算。

另外，尽管使用了上面引用的确定空气处理器静压力的发明性方式(即，在上面引用的共同未决的专利申请中公开的算法)，但在本发明的范围内也可以使用其它已知的方法来确定静压力，如用压力计手动进行压力测量等等。

再看图2，在步骤54，这些大小的量与关于温度改变部件22的大小和性能的信息一起被用来计算每个区域(1，2，3)的最大气流值。

通过下面的分析完成每个区域最大气流的计算。通过假定整个房子的管道系统(所有区域风门完全打开)被设计成适应运行温度改变部件22所需的最高系统气流，来确定一个最高系统气流值，其中所述温度改变部件22安装在家里面。控制器36通过自构形过程了解温度改变部件22(安装的炉子、空气调节器或热泵)的容量和气流需求。据此，控制器36计算最高系统气流(HAS)。在一个实施例中：

HAS＝x(CFM/TON)*容量(吨)或y*高炉气流中的较大者

“CFM”或每分钟立方英尺是气流的计量单位。空气调节器和热泵的容量(或能力)通常以吨为单位计量。在一个实施例中，x＝450，y＝1.12。当然，在该计算中可以使用用于x和y的不同数值系数。

然后确定一个最高区域气流。在所有风门完全打开的情况下，取决于将空气输送到那个区域的管道段的“相对大小(或尺寸)”，每个区域都获得总系统气流中的一份。管道段的“相对大小”是在某个系统压力下管道段允许或多或少的空气流过该管道段的能力的量度标准，因而，管道大小的较大的区域获得的系统气流份额比管道大小的较小的区域要高。控制器36已经确定了系统中所有区域的相对管道大小，可以将这些相对大小表示为整个管道系统的百分数并标记为S1、S2、S3......Sn，其中n是系统中区域的数量。然后，对于每个区域，将最高区域气流(HZA_i)计算为：

HZA_i＝S_i*HAS    i＝1到n

应该注意，HZA_i是在所有区域风门完全打开的情况下每个区域中的最高预期的气流，就好象没有将系统分区那样。

然后确定最大区域气流极限。在被分区的系统中，当风门34打开和关闭以在不同区域之间重新分配空气，从而与它们改变的加热或冷却需求相一致时，任何特定的区域都可能不时获得比其系统气流的“合理份额”更多的气流，这使区域系统能向区域的居住者提供更高水平的舒适性。然而，当气流增加时，在某一场所，区域中的空气噪音可能是无法接受的，因此，对于每个区域都需要最大气流极限。在某种程度上，舒适性和噪音之间的这个平衡是取决于居住者嗜好的个人主观决定的。然而，为了使安装者或屋主需要进行的调节减到最小和为了使系统的建立容易且始终如一，控制器36将最大区域气流(MZA)极限“估算”成上面计算的最高区域气流。在一个实施例中，用户(居住者或安装者)能从每个区域的四个气流极限中选出一个：低档，标准档，高档或最大档。这作为可选项设置在控制器130和/或36上。在一个实施例中，将最大区域气流极限计算为：

选择           MZA_i

低档           HZA_i

标准档         1.5*HZA_i(这可以是工厂默认值)

高档           2*HZA_i

最大档         2*HZA_i

最大档选择具有与高档相同的气流极限并用来减少系统气流，并且如果可能的话，调节设定值，如下面说明的。然而，如果不可能进行调节，则在最大档设定的情况下，永远不减小加热或冷却级别(步骤56，下面说明)。即使噪音可能是无法接受的，也在具有最大档气流极限的区域中实现了舒适性。

如所提及的，每个区域(1，2，3)都允许操作者在控制器130设定所希望的温度设定值。此外，控制器130提供每个区域的实际温度，还提供实际湿度和湿度设定值，如果系统如此高级的话。在步骤58，控制器36计算所希望的加热/冷却的级别。在2004年1月20日提交的、题为“Control of Multi-Zone and Multi-Stage HVAC System(多区和多级HVAC系统的控制)”的序列号为10/760664的美国专利申请中公开了计算所希望的加热或冷却的级别的一种方式。基于设备大小和加热/冷却的级别，控制器36就将知道或能算出某一总系统气流。控制器36还能计算每个区域的所希望的风门位置，以满足该区域中的所希望的温度设定值，并能考虑到那时在每个区域中的实际温度。执行这些计算的算法如在美国专利5829674中公开的那样。

然后，在步骤60，通过考虑总系统气流、每个区域中的风门位置和相对区域管道大小，控制器36计算每个区域的预料到的气流。风门34是可调节的，其中它能控制其旋转叶片到达打开和关闭之间的任何角位置。如上所述，在一个实施例中，能控制风门到达16个位置，这些位置被标记为0到15，0是完全关闭位置，而15是完全打开位置；它们之间的每个位置通过等角运动的步骤获得。实施例还假定在风门角位置和其“开度”或允许气流通过的相关能力之间存在线性关系。

在具有线性关系的情况下，将每个风门位置的相对气流能力D计算为：

位置j的D＝j/15；j＝0到15。

因而对于位置15(完全打开)来说，相对气流能力是100％，而对于位置0(完全关闭)来说，它是0。

该关系也可以是非线性的，且可以用实验室试验来为特定类型的风门确定该关系，然后在下面的计算中使用该关系。

控制器36这里再次利用系统中每个区域的相对管道大小，对于具有n个区域的系统，将相对管道大小标记为S1到Sn。控制器36调节区域风门34以响应每个区域的舒适性要求将或多或少的空气输送到每个区域。控制器36确定每个区域的所希望的风门位置和对应的风门气流能力，所述风门气流能力标记为D1到Dn。控制器36还知道需要流过整个系统的总系统气流As。根据这些值，控制器36计算气流的所述小部分A_i，其被输送到每个区域：