供暖、通风与空调系统中的单一综合湿度/通风控制装置

摘要

HVAC系统用来控制楼宇结构的室内环境特性以使居住者感觉舒适。HVAC系统包括一个单一综合集中控制装置，用来在供暖季节和供冷季节期间调节楼宇结构的室内温度、室内相对湿度和室内新鲜空气级。另外，所述单一综合集中控制装置可用来选择性地使室内送风机启动/停止以控制楼宇结构内的感热比率。另外，避免楼宇结构的内部表面上凝结的防护部件作为用户可选件被包括在装置内。

说明书

本申请要求2004年1月20日提出的美国临时申请No.60/537,528的优先权，通过引用而将其公开内容全部结合于本文。

技术领域

本申请涉及室内集中供暖、通风和空气调节(HVAC)系统，其中室内温度、室内相对湿度和室内新鲜空气级的控制被组合进单一综合集中控制装置中，在供暖季节和供冷季节期间，该装置可用来管理室内环境。

背景技术

HVAC系统被用来控制楼宇结构的室内环境特性以使居住者感觉舒适。典型的HVAC系统包括温度控制装置或恒温器以及一个或多个被称为恒湿器的湿度控制装置。

恒温器被用作控制装置以调节室内温度。恒温器感测实际的室内温度并允许用户输入所期望的室内温度。在室内温度偏离期望级时，恒温器操作选择使供暖单元和/或空调机及其关联的送风机起动或不工作来达到用户期望的设置。

除了温度控制外，为了提供舒适的室内环境，还常常设置了楼宇的室内相对湿度的调节。相对湿度被定义为给定气温下空气中实际的水汽量与最大水汽容量的比率。已知随着温度的增高，容纳水蒸气形式的水汽的空气容量也增加。相反地，随着温度的降低，容纳水汽的空气容量减少，并且任何过量的水汽在与空气接触的表面上凝结成水。

因此，在冬季月份里，寒冷的室外空气具有相对较低的水汽含量，然而，楼宇结构内部的空气通常被供暖。取决于特定楼宇的建造质量，某些干冷的外部空气渗透进温暖的室内空间并且随后被供暖到室内温度。这种现象有效地减小了室内相对湿度并使室内空气变得干燥。

为了解决这种冬季干燥或较低的室内相对湿度，常常将加湿器用作集中供暖系统的一部分。加湿器将水汽带进供暖的空气中，增大了室内相对湿度并且通常由被称为恒湿器的第二控制装置来控制。恒湿器感测实际的室内相对湿度并允许用户设置所期望的室内相对湿度级。在室内相对湿度低于期望的级时，恒湿器启动加湿器以将水汽添加到空气中。一旦达到所期望的室内相对湿度，恒湿器便使加湿器停止工作。

相反地，为了解决较高的室内相对湿度问题，常常使用被称为通风机的装置。一旦室内相对湿度超过了期望的级，启动通风机以将受控的外部干燥空气量带进楼宇外壳内从而使室内相对湿度降低。另外，还用通风机带进受控的外部新鲜空气量来改善室内的空气质量。通风机通常由恒湿器控制。然而，控制通风机的恒湿器一般与此外还控制加湿器的恒湿器分开。

虽然已知将温度控制和加湿器控制组合进单一控制器(如湿热调节器)，通风机的结合通常要求增加第二独立恒湿器控制。同样地，提供对楼宇结构的所有室内环境特性的全年控制要求用户至少与两个控制装置接口来控制相同HVAC系统的不同功能。这可能会使用户感到迷惑。此外，需要用多个控制装置来控制相同HVAC系统的功能有时可能产生冲突的结果，因此导致系统在低于最佳性能级下运行。

总而言之，迄今为止，控制室内环境特性(如：室内温度、室内相对湿度和室内新鲜空气级)要求使用多个控制装置，这是不理想的。因此，期望拥有将温度、湿度和通风集成到单一综合集中控制装置的HVAC系统。

发明内容

本发明公开了单一综合集中控制装置。该单一综合集中控制装置可以获得各种实际的环境特性，如：室内温度、室内相对湿度和室外温度，这些特征通过各种传感器被传递给单一综合集中控制装置。

在一个公开实施例中，单一综合集中控制装置具有输入结构，供用户输入所期望的室内环境特性，如：供暖时用户所期望的室内温度、供冷时用户所期望的室内温度、供暖时用户所期望的室内相对湿度、供冷时用户所期望的室内相对湿度、和/或所期望的室内新鲜空气级。基于各种实际的环境输入和用户所期望的输入，单一综合集中控制装置提供供暖和空气调节系统(包括关联的送风机、加湿器、通风机)的综合集中控制，以达到用户所期望的室内环境特性。

在供暖季节，也就是，在室外温度降到用户所期望的室内温度以下时，楼宇结构内的空气具有变干燥的趋势，即室内相对湿度较低。在这种环境下，除了控制实际的室内温度达到用户所期望的室内供暖温度外，单一综合集中控制装置用来主动地使室内空气增湿。主动增湿包括平衡加湿器和/或通风机的启动和停止。在实际的室内相对湿度低于用户所期望的室内相对供暖湿度时(这种情形通常出现在供暖季节)，启动加湿器以将水汽添加到空气中，主动增大实际的室内相对湿度。相反地，在实际的室内相对湿度超过用户所期望的室内相对供暖湿度时，启动通风机以将凉爽、干燥、新鲜的室外空气带进楼宇结构内部，有效地降低实际的室内相对湿度。

在供冷季节，也就是，在室外温度超过用户所期望的室内温度时，楼宇结构内的空气具有变潮湿或湿润的趋势，即室内相对湿度较高。在这种环境下，除了控制实际的室内温度外，单一综合集中控制装置用来主动地使室内空气除湿。主动除湿包括调节由空调机生成的输出空气的温度以及由与空调机相关联的送风机生成的气流量。在实际的室内相对湿度超过用户所期望的室内相对供冷湿度时(这种情形通常出现在供冷季节)，单一综合集中控制装置调节空调机的温度达到低于用户所期望的室内供冷温度设置的程度并减小由与空调机相关联的送风机生成的气流。这有效地维持了实际的室内温度接近于用户所期望的室内供冷温度同时减小了实际的室内相对湿度。相反地，在实际的室内相对湿度低于用户所期望的室内相对供冷湿度时，启动通风机以将温暖、潮湿、新鲜的室外空气带进楼宇结构内部，有效地增大实际的室内相对湿度。

另外，在供冷季节内，单一综合集中控制装置通过选择性地调节送风机、有效地控制室内感热比率(sensible ratio)(即平衡供冷或感热需求(sensible demand)和除湿或潜热需求(latent demand))来调节室内气流。通过调节室内气流，空调机可将不同比例的感热和潜热容量传递至室内空间。因此，如果存在有较高的感热需求(室内温度难以维持)但是不存在潜热需求(湿度低于所期望的湿度级)，增加室内气流以增加所传递的空调容量的感热比率。相反地，在几乎不存在供冷要求但是湿度高于所期望的湿度级时，减少室内气流以降低感热比率。

在另一个公开实施例中，正如在2004年12月17日提出的、序号为No.11/016,373、标题为“Determination of Maximum AllowableHumidity in Indoor Space to Avoid Condensation Inside BuildingEnvelope”的、一般转让的、同时待审的美国专利申请中所公开的，单一综合集中控制装置包括用于避免楼宇内部表面水汽凝结的防护部件(由用户任选)，其公开内容通过引用而全部结合于本文。这个选件基于实际的室内和室外特征提供了所期望的室内相对湿度的自动调节，以避免楼宇内部表面上的凝结。

在这个实施例中，用户输入是由楼宇业主或实际居住者输入的用户可选择的供暖湿度级。居住者从1-9的预定范围中选择供暖湿度级，该范围的默认值在中间附近，比如说为5。所选择的供暖湿度级随后用来确定单调节系数(A^*)。在这个实施例中，集中控制装置使用存储在存储器中的转换表将用户选择的供暖湿度级转换为单调节系数(A^*)。单调节系数(A^*)接着用来基于用户选择的供暖湿度级计算最大容许室内相对湿度。

居住者通常将供暖湿度级设置到刚好低于容许凝结发生的程度。这一点通过迭代过程来完成。居住者选择性地增加供暖湿度级直到凝结在楼宇外壳内发生为止。居住者接着选择性地将供暖湿度级减小到刚好低于凝结发生时的程度。一旦居住者已经选择了防止凝结所要求的室内相对湿度，集中控制装置可用来基于用户选择的室内相对湿度级来维持实际的室内相对湿度，连续调节实际的室内相对湿度以提供变化的环境状况同时防止凝结。

在本发明的又一个公开实施例中，HVAC系统的安装者在安装后就输进用户输入。用户输入代表了楼宇结构特征并且通常表示楼宇外壳的隔热程度。可基于安装者的关于以前类似质地住宅的经验来设置用户输入。在这个实施例中，集中控制使用转换表随后将结构特征转换为前述的单调节系数(A^*)。单调节系数(A^*)接着被用来基于楼宇的隔热程度来计算最大容许室内相对湿度。一旦被安装者设置，HVAC系统就可用来维持实际的室内相对湿度级，不断地调节以提供变化的环境状况从而防止凝结。

根据下面的说明和附图可以更好地理解本发明的这些和其他特征，下面是对附图的简要说明。

附图说明

图1是楼宇HVAC系统的示意图。

图2是包括用于控制暖气炉、空调机、加湿器和通风机以及送风机的综合集中控制装置的楼宇HVAC系统的详细示意图。

图3是室内相对湿度输入示例的详图。

图4是说明综合集中控制装置的供暖模式中的主动增湿的曲线图。

图5是说明综合集中控制装置的供冷模式中的主动除湿的曲线图。

图6是转换表的示例。

图7是容许湿度表的示例。

图8是说明综合集中控制装置的新鲜空气控制的曲线图。

具体实施方式

图1说明的是楼宇HVAC系统10的示意图。单一综合集中控制装置12可基于由至少一个环境传感器14感测的实际环境特性E和由用户输入到用户界面16的用户输入U来控制多个室内环境特性。单一综合集中控制装置12通过选择性地使至少一个装置18启动和/或停止来控制室内环境特性。

图2说明的是包括有单一综合集中控制装置12的楼宇HVAC系统10的详细示意图。单一综合集中控制装置12接收来自多个传感器的实际环境输入。室内温度传感器20、室内相对湿度传感器22以及室外温度传感器24可用来将实际的室内温度输入(T_I)、室内相对湿度输入(H_I)和实际的室外温度(T_O)传输至单一综合集中控制装置12。用户界面16可用来接收用户输入。用户输入其所期望的室内温度级26和其所期望的室内相对湿度级28以及其所期望的新鲜空气级30，所述用户所期望的室内温度级26包括用户所期望的室内供暖温度级和用户所期望的室内供冷温度级，所述用户所期望的室内相对湿度级28包括用户所期望的供暖湿度级28A(图3)和用户所期望的供冷湿度级28B(图3)。

用户界面16将用户期望的设置传输至单一综合集中控制装置12。基于收自用户界面16的用户期望的设置与收自多个传感器的实际环境输入的比较，单一综合集中控制装置12可用来选择性地使至少一个装置18启动和/或停止以控制实际的室内温度级、实际的室内相对湿度级和实际的室内新鲜空气级，从而达到用户期望的设置。在所说明的实施例中，至少一个装置18包括暖气炉18A、空调机18B、加湿器18C、通风机18D以及与暖气炉18A和空调机18B相关联的送风机32，所有这些由单一综合集中控制装置12控制。

基于由室内温度传感器20感测的实际室内温度(T_I)和由室外温度传感器24感测的实际室外温度(T_O)的比较，单一综合集中控制装置12在供暖模式或供冷模式下工作。用户输进用户期望的室内温度级26、用户期望的室内相对供暖湿度级28A和用户期望的室内相对供冷湿度级28B。在实际室内温度(T_I)小于实际室外温度(T_O)时，单一综合集中控制装置12将在供暖模式下工作。相反地，在实际室内温度(T_I)大于实际室外温度(T_O)时，单一综合集中控制装置12将在供冷模式下工作。

在供暖模式(也称为主动增湿模式)下，在需要达到用户期望的室内供暖温度级时，单一综合集中控制装置12可用来调节包括关联的送风机32的暖气炉18A。在需要达到用户期望的供暖室内相对湿度级28B和用户期望的室内新鲜空气级30时，还调节加湿器18C和通风机18D。

单一综合集中控制装置12接收来自实际的室内温度传感器20、实际的室内相对湿度传感器22以及用户的输入。用户输入包括用户期望的室内供暖温度级、用户期望的室内供暖相对湿度级28A和用户期望的室内新鲜空气级30。单一综合集中控制装置12比较实际的室内相对湿度(H_I)和用户期望的室内供暖湿度级28A。如果实际的室内相对湿度(H_I)低于用户期望的室内相对供暖湿度级28A(这种情形通常出现在供暖季节)，单一综合集中控制装置12选择性地启动加湿器18C以将实际的室内相对湿度(H_I)增大到接近用户期望的室内相对供暖湿度级28A的值。如果实际的室内相对湿度(H_I)超过用户期望的室内相对供暖湿度级28A，单一综合集中控制装置12选择性地启动通风机18D以将凉爽、干燥、新鲜的室外空气带进楼宇结构，有效地将实际的室内相对湿度(H_I)减至接近用户期望的室内相对供暖湿度级28A的值。

图4示出的是供暖模式的主动增湿的曲线图。

在供冷模式(也称为主动除湿模式)下，在需要达到用户期望的室内供冷温度级和用户期望的室内供冷湿度级28B以及用户期望的室内新鲜空气级30时，单一综合集中控制装置12可用来调节包括关联的送风机32的空调机18B、加湿器18C和通风机18C。

单一综合集中控制装置12接收来自实际的室内温度传感器20、实际的室内相对湿度传感器22以及用户的输入。用户输入包括用户期望的室内供冷温度、用户期望的室内供冷湿度级28B和用户期望的室内新鲜空气级。单一综合集中控制装置12比较实际的室内相对湿度(H_I)和用户期望的室内供冷湿度级28B。实际的室内相对湿度(H_I)可超过用户期望的室内相对供冷湿度级28B；这种情形通常出现在供冷季节。单一综合集中控制装置12接着选择性地将由空调机18B产生的输出空气的温度调节至低于用户期望的室内供冷温度并减少由关联的送风机生成的气流。这将减小实际的室内相对湿度(H_I)至接近用户期望的室内相对供冷湿度级28B的值。如果实际的室内相对湿度(H_I)低于用户期望的室内相对供冷湿度级28B，则单一综合集中控制装置12选择性地启动通风机18D以将温暖、潮湿、新鲜的室外空气带进楼宇结构。这有效地将实际的室内相对湿度(H_I)增大至接近用户期望的室内相对供冷湿度级28B的值。

另外，在供冷模式下工作时，单一综合集中控制装置12可用来调节送风机32的气流以平衡供冷(感热)需求和除湿(潜热)需求。在有较高的感热需求(用户期望的室内温度难以维持)但是不存在潜热需求(实际室内相对湿度低于用户期望的室内相对湿度)时，单一综合集中控制装置12调节送风机32以增加所传递的空调容量的感热比率。相反地，在几乎不存在供冷要求(实际的室内温度处于或稍微低于用户期望的室内温度)但是实际的室内相对湿度高于用户期望的室内相对湿度时，调节送风机以减小感热比率。

图5示出的是供冷模式的主动除湿的曲线图。

因此，在单一综合集中控制装置12工作于供暖模式时，基于用户期望的室内供暖温度和用户期望的室内相对供暖湿度级28A来计算所有的环境控制。相反地，在单一综合集中控制装置12工作于供冷模式时，基于用户期望的室内供冷温度和用户期望的室内相对供冷湿度级28B来计算所有环境控制。同样地，单一综合集中控制装置12可用来控制在供暖季节和供冷季节期间达到用户期望的室内环境状况所需要的全部装置18。

图3说明一个用户界面16的示例屏幕，其中用户输进用户期望的相对湿度输入28。用户将所期望的供暖室内相对湿度级28A和所期望的供冷室内相对湿度级28B输进用户界面16(图2)。用户界面16接着将用户输入传输至单一综合集中控制装置12。当然，这只是用户界面16的一例屏幕。不同的屏幕可供用户输入其他类型的输入，例如用户期望的室内供暖温度级、用户期望的室内供冷温度和用户期望的新鲜空气级。

还包括用于避免楼宇内部表面上凝结的防护部件(用户选件)。这个特征在2004年12月17日提出的、序号为No.11/016,373、标题为“Determination of Maximum Allowable Humidity in Indoor Space toAvoid Condensation Inside Building Envelope”的、一般转让的、同时待审的美国专利申请中被公开，其公开内容通过引用而全部结合于本文。在这个选件中，单一综合集中控制装置12基于室内和室外特征计算最大容许室内相对湿度来防止凝结，并调节实际的室内相对湿度从而防止凝结。

在这个实施例中，单一综合集中控制装置12使用如图6说明的转换表(CT)将由业主或系统安装者输入用户界面16的信息转换为调节系数A^*。在转换后，单一综合集中控制装置12接着基于下面的公式计算有效的ΔT：

ΔT＝A*(t₂-t₁)

在计算了有效的ΔT之后，单一综合集中控制装置12使用如图7说明的容许湿度表(AHT)来确定最大容许室内相对湿度。当然，比较这种表来确定参考值的其他方法属于本发明的范围内。利用用户输入和环境输入来确定与表对比的参考值的任何方法属于本发明的范围。

在确定最大容许室内相对湿度之后，单一综合集中控制装置12可用来选择性地使室内装置启动/停止以调节实际的室内相对湿度至小于所计算的最大容许室内相对湿度的值，从而防止凝结。

在该选件被启动时，在更冷的室外温度下，在需要达到所期望的最大容许室内相对湿度级时，单一综合集中控制装置12增大对来自通风机的新鲜空气的吸入以减小实际的室内相对湿度。单一综合集中控制装置12可用来带入新鲜空气以达到用户期望的新鲜空气级，但是限制或停止极端的(非常热或非常冷)室外环境状况下的空气吸入，使得对室内环境状况的影响最小。图8示出的是利用加湿器18C和通风机18D的单一综合集中控制装置12的新鲜空气控制部分的曲线图。

尽管已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域普通技术工人将会认识到，它们的某些修改将落在本发明的范围内。出于这个原因，下面的权利要求应当加以研读以确定本发明的真正范围和内容。