具有远程位置流量重置的先进阀门致动器

摘要

本发明描述了一种流体控制阀门和致动器组件，其包括被配置为控制液体的流量的阀门、以及被配置为控制所述阀门的打开和闭合的阀门致动器，所述阀门致动器还被配置为提供通过所述阀门的液体的最大流率、以及通过所述阀门的液体的最小流率。在特定实施例中，所述阀门致动器具有通信模块，其被配置为促进通过网络与所述阀门致动器进行通信，并且所述通信模块还被配置为允许对通过所述阀门的流量进行远程监测、以及对所述阀门致动器进行远程控制。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及阀门和阀门致动器，并且更具体地涉及被配置为受 到电子控制的阀门和阀门致动器。

背景技术

很多类型的商业和工业系统包含经由流体控制系统来供应液体的过 程，流体控制系统可以包括各种各样的泵组件和控制阀门。这些流体控制 系统包括但不限于发电站、化学制造操作、食物和饮料加工、液化气供应 和处理、水供应和处理、加热、通风和空调(HVAC)系统等中使用的那些 系统。改进用于这些流体控制系统的各种部件的控制机制可以减少能量使 用并且提高这些系统的效率。

例如，利用常规流体控制系统，控制阀门可以具有能够被本地设定但 不能从远程位置进行调整的最大流量设定。此外，很多常规流体控制系统 无法适当地操纵包含两管道转换加热/冷却水系统、季节转换以及与建筑物 的离心式冷却器和凝汽锅炉或者与建筑物管理系统(BMS)的能量同步的 HVAC控制应用。在美国专利公开文本No.2010/0142535中公开了使用通 信网络实施的建筑物管理系统，通过引用将其教导和公开内容并入本文。

本发明的实施例表示对现有技术关于流体控制系统及其控制方面的进 步。根据本文中提供的对本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及额 外的发明特征将变得显而易见。

发明内容

在一个方面中，本发明的实施例提供了流体控制阀门和致动器组件， 其包括被配置为控制进入HVAC盘管中的液体的流量的阀门、以及阀门致 动器，阀门致动器被配置为控制阀门的打开和闭合，并且还被配置为提供 通过阀门的液体的最大流率和最小流率。在特定实施例中，阀门致动器具 有通信模块，其被配置为促进通过网络与阀门致动器通信，并且还被配置 为允许对通过阀门的流量进行远程监测，以及对阀门致动器进行远程控制。

在特定实施例中，通信模块被配置为通过串行通信总线与建筑物管理 系统(BMS)通信。阀门致动器以可保持的方式存储来自BMS的信号，从 而允许阀门致动器在失去与BMS的通信的情况下正确地工作。此外，阀门 致动器被配置为使其操作可以与BMS、以及与建筑物的机械加热、冷却和 泵系统同步，以提高建筑物的HVAC系统的能量效率。

在某些实施例中，最小流率和最大流率可以被本地或远程调整。此外， 经由通过阀门致动器调节阀门塞位置来保持最大流率，其中，最大流率用 来限制通过阀门和HVAC盘管的液体的流率，从而有足够的时间发生从液 体到HVAC盘管的热传递。最大流率可以被本地或远程调整，以节省两管 道水温转换系统中的能量，或者补偿管道和盘管退化。替代地，最大流率 可以被本地或远程调整，以促进与冷却器和锅炉的能量同步，或者防止盘 管溢出并保持有能效的温差。

在本发明的实施例中，经由通过阀门致动器调节阀门塞位置来保持最 小流率，其中，最小流率用来在使能耗降最小化的同时防止HVAC盘管中 的液体发生冻结，并且在某些实施例中，最小流率可以用于通过在建筑物 的包括冷却器和锅炉的机械装备上保持最小负载来减少设备的能量使用， 以允许在最高效的操作水平上进行操作。在替代的实施例中，最小流率用 来保持跨阀门入口和出口的最小温差。

在至少一个实施例中，阀门致动器还包括温度传感器、流率计、入口 和出口压力传感器以及塞位置传感器，并且可以本地或远程访问来自温度 传感器、流率计、入口和出口压力传感器以及塞位置传感器的数据。

在另一个实施例中，阀门致动器还包括被配置为判断流经阀门的液体 是否有可能发生汽蚀的抗汽蚀模块。抗汽蚀模块在水温、阀门入口压力和 阀门出口压力的基础上判断将发生汽蚀的可能性。并且，抗汽蚀模块可以 被配置为在液体为水还是水-防冻剂混合物的基础上修改其对将发生汽蚀的 可能性的判断。

在实施例中，阀门致动器包括被配置为将有关阀门和致动器组件的操 作的诊断信息提供至远程位置的诊断模块。诊断模块提供与预定时间段内 的汽蚀发生次数、以及冻结状况发生次数有关的诊断信息。此外，阀门致 动器可以被配置为以可保持的方式存储诊断信息。

在特定实施例中，阀门致动器具有多个可调整的操作参数，这些参数 的值控制阀门致动器的操作。此外，多个可调整的操作参数可以被本地或 远程调整。

在结合附图参考以下具体实施方式时，本发明的其它方面、目标和优 点将变得显而易见。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的几个 方面，并且与文字描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1是具有水盘管冻结保护的现有技术HVAC阀门构造的示意图；

图2是针对开环水系统的现有技术HVAC阀门和盘管位置的示意图；

图3是针对阀门位于盘管的返回侧的闭环水系统的现有技术HVAC阀 门和盘管位置的示意图；

图4是针对阀门位于盘管的供应侧的闭环水系统的现有技术HVAC阀 门和盘管位置的示意图；

图5A和5B是根据本发明的实施例构造的HVAC系统以及集成阀门和 致动器组件的示意性方框图；

图6是根据本发明的实施例的示出用于集成阀门和致动器组件的可调 整设定的方框图；

图7是包含在集成封装中的新技术设计的物理图；

图8是根据本发明的实施例的显示闭合的阀门塞的示意图；

图9是根据本发明的实施例的用于压力有关控制的打开的阀门塞的示 意图；

图10是根据本发明的实施例的用于压力无关控制的打开的阀门塞的示 意图；以及

图11是根据本发明的实施例的汽蚀区域水温关系的图解说明；

图12是显示现有技术系统的典型的独立流量控制操作的图解说明；以 及

图13是显示根据本发明的实施例构造的系统的独立流量控制操作的图 解说明。

尽管将结合某些优选实施例描述本发明，但是并不是要将本发明限制 于这些实施例。相反，旨在涵盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精 神和范围内的所有替代方案、修改和等同方案。

具体实施方式

下文描述的实施例中的大部分示出了HVAC应用中可以如何采用本发 明的各方面。然而，本文包含的任何内容都并不是要使本发明限制于HVAC 应用。本领域技术人员将认识到，如上所暗示的，本发明的方面在各种商 业和工业环境中具有适用性，各种商业和工业环境包括但不限于发电、化 学制造、食品和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理等。此外， 申请人注意到，尽管下文描述的附图中的一些对HVAC系统具有特定的适 用性，但是其它附图示出了具有跨越一定范围的流体控制系统的适用性的 实施例。

图1-4是显示现有技术中提供的HVAC系统的各种实施例的示意图。 例如，图1是显示常规HVAC系统110的示意图，常规HVAC系统110需 要多个设备来获得所需的水阀门控制和水盘管冻结保护。用于来自泵和管 道系统的水供应60的热水和冷水源通常位于房间51的外面，并且通常是 由能够被交替连接在源内的一个或多个锅炉或冷却器(未示出)组成的集 中式供应。阀门62调节来自泵和管道系统的水供应60的热水和冷水的流 量，用于房间51的加热和/或冷却。阀门62通常受到弹簧回位阀门致动器 56的机械驱动，弹簧回位阀门致动器56根据由室温控制器54提供的控制 信号而被操作连接。在典型实施例中，室温控制器54接收来自室温传感器 52的温度感测信号，并将其与房间设定点设备53提供的期望的室温设定点 进行比较，房间设定点设备53可以例如是电位计或小键盘。

在所示实施例中，弹簧回位阀门致动器56根据从室温控制器54接收 的比例控制信号进行操作，以将阀门62从完全闭合自动设置为完全打开， 以保持由房间设定点设备53提供的期望的房间设定点。通过使空气经过具 有适当量的热水或冷水的水盘管63来控制房间51的气温，以在水盘管63 的温度与房间51的温度之间提供必要的温差，从而朝向期望的房间设定点 设备53来驱动房间51的温度。水盘管63使用由中央锅炉和冷却器系统提 供的热水或冷水，例如，由来自泵和管道系统的水供应60输送的热水或冷 水。通常，每个房间具有其自己的管道系统。在期望以加热模式操作系统 时，来自泵和管道系统的水供应60例如从锅炉提供热水，并且在期望以冷 却模式操作系统时，来自泵和管道系统的水供应60例如从冷却器提供冷水。

室外空气通风入口68和室外空气通风风门67用于向房间提供新鲜空 气。由室外空气通风风门控制器65控制新鲜空气的量，室外空气通风风门 控制器65机械设置室外空气通风风门致动器66的位置。存在很多常用的 风门致动器控制方法。就所有方法而言，存在室外冷空气能够将水盘管63 中的水冻结并且造成重大财产损失的风险。常见的室外空气风门问题包括 由于磨损、翘曲或其它损坏而未能紧密闭合的风门桨叶、松动或被损坏的 机械联动装置，以及致动器故障。

管道系统可以是例如图2中所示的系统的开环系统120，或可以是如图 3和图4所分别示出的那些系统的闭环系统130，140。例如，针对图2的 开环系统120，由于开环系统通常在系统中具有能够干扰热传递的大量空 气，所以阀门致动器80和阀门81必须位于水盘管63、82的返回侧上，以 确保水盘管82的管子充满水，从而获得良好的热传递。针对闭环系统130、 140，阀门致动器80和阀门81可以位于水盘管82的返回侧上，如图3中 所示，或者可以位于水盘管63、82的供应侧上，如图4中所示。

如图4中所示，使闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管63、82的 供应侧上可以工作，但是使水盘管63、82中具有空气的概率较高，这将干 扰热传递。如图3中所示，在闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管63、 82的返回侧上的情况下，在水盘管63、82中具有较少空气的情况下热传递 较好，但是盘管63、82中的水发生冻结的风险较高。这是因为空气是可压 缩的，并且水盘管63、82中具有较多空气的系统由于空气的前述可压缩性 而能够吸收由冻结状况产生的增大的压力中的一些。水盘管82中具有较少 空气的系统中的水更易于出现冻结状况。

不出所料，盘管冻结状况最有可能发生在加热模式下，因为室外气温 低。为使水盘管63、82中的水冻结，其中的水必须在一定程度上是静止的， 并且在足以使水温降至32°F(0℃)以下的时间段内被暴露在低温下。在室 外气温非常低时，室温可能较低并且阀门至少部分打开，这能够减小水盘 管发生冻结状况的可能性。

对于低于32°F(0℃)但并不足以使房间51的温度冷到不舒服的较温 和的室外气温，水盘管63、82中的水发生冻结的风险很大，这是因为阀门 62可能由于房间51不需要加热而闭合，以使水盘管63、82中的水不流动， 因而出现可能的冻结状况。

对于图1中所示的常规HVAC系统110，冻结状态计(freeze stat)59 与弹簧回位阀门致动器56用线串联。在冻结状态计59检测到可能的冻结 状况时，其将使弹簧回位阀门致动器56的功率中断，弹簧回位阀门致动器 56在一些情况下具有内部弹簧机制，以在失去功率时将其驱动至已知位置。 通常发生的是，该已知位置是完全打开阀门位置，以使阀门62保护水盘管 63和管道系统不被冻结，尽管较低量的流量会足以防止发生冻结状况。该 方案往往会浪费能量。在一些情况下，冻结状态计59也可以向室外空气通 风风门致动器66提供功率，致动器66也可以具有弹簧回位操作，以在冻 结状态计59检测到可能的冻结状况的情况下关闭室外空气通风风门67。

冻结状态计59通常可以进行自动复位或手动复位。在感测到寒冷气温 之后，手动复位冻结状态计59保持打开并提供全阀门流量，直到冻结状态 计59被识别并被手动复位。自动复位冻结状态计59将在气温下降到冰点 以下并且然后回升到冰点以上的情况下自动复位。这消除了用户对为冻结 状态计59进行复位的需要，但是通常不警告用户室外空气通风风门控制器 65、室外空气通风风门致动器66或室外空气通风风门67可能存在问题。 所选择的冻结状态计59的类型通常基于手动复位与自动复位技术之间的前 述权衡。手动复位冻结状态计59需要用户对设备进行复位，这需要更多的 劳动并且可能在复位发生之前浪费能量，而自动复位冻结状态计59需要较 少劳动，但是可能延迟对能够在将来产生问题的风门相关的问题的识别。

仍然参考图1-4，冻结状态计59的适当保护水盘管63的能力取决于冻 结状态计59的适当安装、冻结状态计59相对于水盘管63的面积的长度、 以及跨越水盘管63的任何空气运动分层，所述空气运动分层由温度可能未 被冻结状态计59适当感测的任何室外空气通风入口67产生。几乎所有建 筑物HVAC规范都要求每平方英尺的水盘管水表面面积应该具有不少于一 直线英尺的冻结状态计毛细管长度。

在特定实施例中，冻结状态计59以对称形式安装在水盘管63附近， 该对称形式在水盘管63的整个长度和宽度上提供具有等间隔的均匀覆盖。 冻结状态计59通常会位于水盘管63的输出处的气流中，如图1中所示。 一些系统可以具有水盘管63与风扇58之间的第二水盘管、以及到房间57 的空气通风输出，以提供加热和冷却。具有两个盘管的这些系统将使冻结 状态计59位于通常用于加热的第一水盘管63之后、以及通常用于冷却的 第二盘管之前、并且位于风扇58和到房间57的空气通风之前。具有两个 盘管的这些系统还具有其必需的阀门、阀门致动器、手动平衡阀门、来自 泵和管道系统的水供应、以及室温控制器，以提供与两个水盘管所提供的 热传递的连续操作。尽管在具有一个、两个或更多盘管的系统中还存在盘 管构造的几种其它变型，但是冻结状态计59不会位于处于室外空气通风风 门67和室外空气通风入口68附近的最近盘管的输出的更下游的位置。

冻结状态计59毛细管的长度应当使其能够适当地表示水盘管的整个长 度和宽度，因为太短的毛细管无法适当地覆盖水盘管63，并且太长的毛细 管将产生非对称形式的不均等的表示。通常，必须利用支撑夹、使用具有 3"(76mm)的最小半径的弯管来小心地安装冻结状态计59毛细管，以避 免发生将导致最终失败的毛细管断裂。由于冻结状态计59仅在几个可用毛 细管长度下可用，因而将冻结状态计长度与水盘管面积匹配这一问题经常 发生。很多建筑物HVAC规范要求25英尺(762cm)的最小单元长度，其 具有在任何接近一英尺(on foot)(30cm)的部分下降到冻结状态计设定 点以下的情况下发生跳闸的能力，以期获得更准确的冻结保护。

以对称均匀形式横跨盘管安装的冻结状态计59基于如下假设：横跨水 盘管63的空气流量在其整个长度和宽度上一致。实际上，如果由于室外空 气通风风门66桨叶的角度或形式、室外风湍流、或由于建筑物和相邻建筑 物及物体的形状以及风的方向所产生的阵风而存在空气分层，则该假设可 能不成立。通常，冻结状态计59被设计为感测其整个毛细管的平均温度， 并在温度过低的情况下触发其双位继电器输出，但是并不能完全补偿使水 盘管63的部分和冻结状态计59毛细管处于不同温度的较大程度的分层。

期望提供能够克服上文强调的感测问题的技术装置，并且还期望通过 购买、安装、布线和测试比常规HVAC系统少的部件来提供安装节约。诸 如图1中所示的系统等的常规系统基于如下假设进行操作：水盘管63的温 度总是跟随附近的气温，并且冻结状态计59准确地感测该气温。即使在水 温高于冰点的情况下短持续时间的低温也能迫使冻结状态计59感测到低 温，这产生假冻结状况并且浪费能量。一些HVAC设计工程师试图使假冻 结检测最小化，并且通过添加具有0.5到5分钟的延迟的延时继电器来防止 伪冻结状态计跳闸而获得有限的成功。

具有低侧感测误差的不准确的冻结状态计59还可以在水温高于冰点的 情况下过早地迫使阀门完全打开并且浪费能量，尤其是对于在受到手动复 位之前可能在长时间段内保持跳闸状态的手动复位冻结状态计而言。反之， 具有高侧感测误差的不准确的冻结状态计59可能不正确地无法感测实际冻 结状况，从而导致大范围的水盘管63和建筑物损坏。大部分冻结状态计都 具有可现场调整的跳闸点设定，并且并不总是能够被正确设定为表示冻结 状况。一些HVAC工程师在假设冻结状态计59毛细管温度跟随水温并且 38°F(3℃)设定将保护盘管并且不会过早发生跳闸的情况下指定38°F(3 ℃)的跳闸设定点。

用于实现闭环中的HVAC盘管63中的冻结保护的替代的方案是添加防 冻剂，以防止刚性管道和盘管由于水变成冰时所产生的膨胀而遭受物理应 力、形变和破裂。将化合物添加到水中，以使混合物的冰点减小到系统可 能遇到的最低温度以下。HVAC闭环系统最常使用的防冻化合物是乙二醇 和丙二醇。二醇的最重要的特性的其中之一是其粘性，因为其对泵送的容 易程度的影响以及对热传递的影响。二醇的粘性与温度成反比变化。热的 二醇自由流动，但是其粘性随其冷却而增大，直到最终凝结并且不再流动。 二醇和水的混合物比单独的水更粘，并且其粘性随二醇含量增大而变大， 或者在水混合物温度下降的情况下，其粘性增大。

与丙二醇相比，乙二醇具有更低的成本、更低的粘性和更好的热传递 性质。然而，乙二醇由于其具有中度毒性而不像丙二醇那样环保。需要二 醇对水的适当浓度来获得期望的冻结保护水平，并且单位体积内较高的二 醇浓度降低了系统的冰点。

下文将描述的图5A和5B的示意图示出了相对于现有技术的各种改进。 根据在图5A和5B的示意图中示出的本发明的方面，阀门和致动器组件36 在一个集成组件中包括阀门18、线性阀门杆移动致动器14、室温控制器8、 水温传感器22、流率传感器19和冻结检测控制器27，该集成组件安装得 更快，因为只需对一个设备进行安装和布线，而不像图1的系统110那样 需要对多个单独的设备进行安装和布线。图5A和5B的实施例还示出，阀 门18包括入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21，以使得能够 获得阀门18两端的压力下降。图5A和5B示出了具有带有集成冻结保护的 阀门和致动器组件36的本发明，其具有全部需要单独安装并互连布线的几 个传统设备的全部功能。阀门和致动器组件36可以被现场配置为作为压力 有关或压力无关阀门进行操作，并且将在任何一种阀门控制模式下提供有 能效的冻结保护。

主要根据通过盘管后的压力下降、阀门流量系数因子和关阀压力 (close-off rating)来选择压力有关控制阀门。阀门流量系数因子是由术语 Cv表示的流量的测量结果，Cv被定义为在1psi(6.9kPa)的压力下降的情 况下在1分钟内流过1美制加仑(3.8公升)的60°F(15.6℃)的水。在阀 门完全打开时获得阀门的额定Cv，并且在阀门塞处于其它位置时额定Cv 将发生变化。在特定阀门塞位置上，压力有关阀门的流率基于阀门两端的 差压而改变(差压随泵特性曲线和系统中的其它阀门的相互作用而变化)。

Cv可以被数学表示为：

Cv＝流量系数

GPM＝在60°F(15.6℃)下每分钟的美制加仑

ΔP＝PSI中的差压

比重＝流体的比重

在国际单位制中，Cv被表示为Kvs，其被定义为在阀门完全打开的情 况下，在100kPa(1.0Bar)的压力下降下，15.6℃水的每小时内的每立方米 流量(m3/h)，并且Kvs可以被数学表示为：

Kvs＝流量系数

m3/h＝15.6℃下的立方米/小时

ΔP＝以Bar为单位的差压(1Bar＝100kPa)

比重＝流体的比重

液体的比重是在39°F(4℃)下液体的密度与纯水的密度的比值。比重 是没有单位的比值。具有小于1的比重的液体将漂浮在水中，因为其密度 小于水的密度。相反，具有大于1的比重的液体将沉入水中，因为其密度 大于水的密度。乙二醇和丙二醇水混合物具有大于1的比重，并且因此具 有大于水的密度。

应当认识到，尽管在很多情况下，主要出于示例性的目的，指定水是 流经特定实施例的阀门和阀门致动器的液体，但是可以采用替代的实施例 来控制除了水以外的液体的流动。可以预想到，用于油、各种化学试剂乃 至饮料的流体流量系统都能够得益于本发明的各种特征和方面。对于以下 提供的本发明的实施例，其中关于各种部件在基于水的流体控制系统中的 使用来描述各种部件，可以设想在非基于水的流体控制系统中使用的本发 明的替代的实施例。

在液体流经阀门时，其在阀门的产生压力下降的限制流动路径中加速。 液体在被称为流颈(vena contracta)的点处达到其最高速率。流体在流颈处 达到其最低压力和最高速率。随着液体流出阀门，一些压力损失随着液体 减速而恢复。作为结果，阀门中的压力可能低于下游压力。如果阀门中的 压力下降到液体的蒸汽压力以下，则其将开始汽化。被称为汽蚀的该状况 将产生比以上Cv和Kv公式中所计算的结果低的流率，因为当在流颈中形 成汽蚀水泡时，汽泡将越来越限制液体的流动，直到流动被蒸汽阻塞。这 种状况被称为扼流或临界流。在流动被完全阻塞时，在压力下降降低时流 率不会增大。

在发生汽蚀时，阀门中的液体快速转化为蒸汽，并且然后经历压力恢 复而恢复到导致汽泡的内爆或塌缩的汽化压力以上的某一压力。这可能对 浸在水中的阀门部件造成机械腐蚀或点蚀损坏、由于极度振动而对阀门部 件造成破损、以及阀门中的可检测的噪声。受到汽蚀损坏的风险最大的阀 门部件是具有平行运转表面的阀门塞和阀门座。机械点蚀和腐蚀将随各种 阀门材料组成而变化。在蒸汽压力高于流颈压力、但低于出口压力时将发 生汽蚀。在蒸汽压力低于流颈压力时，将存在满液体流量而没有汽蚀。

在不发生汽蚀状况的情况下阀门两端可能存在的最大容许压差取决于 液体温度，因为液体的蒸汽压力随水温变化。例如，在水处于狭窄密闭容 器中时，水与其气态之间存在平衡。蒸汽压力不取决于水的量。沸点是蒸 汽压力达到随海拔变化的大气压力的温度。由于水的蒸汽压力随水温而增 大，因此与利用凉水相比，利用较热的水可以在较低的差压下发生汽蚀状 况，如图11所示。例如，对于具有45psi(310kpa)入口压力和50°F(10 ℃)水温的阀门，不发生汽蚀的最大容许差压是31psi(214kpa)。对于相同 的45psi(310kpa)入口压力和220°F(104℃)水温，不发生汽蚀的最大容 许差压下降到21psi(145kpa)。

蒸汽压力随液体类型而变化。尽管不同液体都具有通常随温度升高而 增大、随温度降低而减小的蒸汽压力，但是变化率以及沸点则随每种液体 而变化。二醇具有比水低的蒸汽压力，并且其沸点高于水的沸点。在68°F (20℃)，水的蒸汽压力是丙二醇的蒸汽压力的100倍。含有乙二醇或丙二 醇与水的混合物的系统的蒸汽压力不同于只有水的系统的蒸汽压力。此外， 蒸汽压力将随系统中的乙二醇或丙二醇相对于水的浓度体积而变化。使用 二醇和水的混合物而非仅使用水的水系统将因它们的蒸汽压力不同而具有 不同的汽蚀点。

最常规的压力无关阀门由与电子控制阀门串联的机械压力控制阀门构 成，但是本文中公开的本发明的实施例包括全电子设计单元，其由具有附 加系统传感器的一个电子控制阀门构成，其与常规阀门系统相比，特征为 较高的准确度、提供附加特征的能力、以及较高的可靠性，因为它们具有 较少的可能发生故障的移动零件。

参考图12和13，可以看到，所有压力无关阀门都需要最大流率来与受 控的盘管或负载匹配，如两图中的从点E(沿x轴)开始的流率154、170 所示。不管阀门的命令位置和阀门两端的压差如何都将保持最大流率。机 械操纵的压力无关阀门的最大流率可以由阀门制造商在阀门组装过程中设 定，或者可以在压力无关阀门处对其进行现场手动改变。然而，通常不能 从远程位置改变最大流率，以通过调整为季节性水温变化或者通过保持最 有能效的温差以减小泵的耗电并使冷却器和锅炉在其最有效率的操作水平 上进行操作来省钱。通常，用于标准压力无关阀门的初始最大流量设定被 选择为匹配水盘管的额定值。

图12是显示现有技术系统的典型的独立流量控制操作的图解说明。从 图12可见，不存在获得冻结保护或保持最低温差的最小流率设定。在打开 阀门时，阀门入口和出口的水温相同。例如，如果冷却系统阀门是打开的， 则其阀门两端的温差为零。温差是跨越盘管的，因为盘管被设计为用于热 传递，其由导热材料构建，并且通常具有吹送空气跨越盘管的风扇。跨越 水冷却盘管的温差不能充分表示所传递的能量，因为冷却包含可感测的热 量和潜在的热量(冷凝)。跨越水加热盘管的温差表示所传递的能量，因为 水加热仅包含可感测的热。

在水平轴上，点A 150显示阀门的压力流量控制部分起作用(仅针对 机械压力控制单元)处的流量和差压。点B 156是阀门致动器被命令进一 步打开处的点。点A 150与点B 156之间的第一流率水平151是具有增大的 差压的第一固定阀门塞位置(行程中间的某处)的流率。点C 158与点D 160 之间的第二流率水平153是具有增大的压差的第二固定阀门塞位置(行程 中间的某处)的流率。点D 160还表示阀门致动器被命令完全打开处的点。 点E 154显示由于阀门致动器被命令达到其完全打开的位置而使阀门受到 其最大流量极限的限制时的差压和第三流率水平155。

图13是显示根据本发明的实施例构造的系统的独立流量控制操作的图 解说明。从图13可见，本发明的实施例允许用于获得防冻保护或保持最小 温差的最低流率174。在特定实施例中，该最小流率174可以被本地或远程 设定。此外，不管阀门致动器的命令位置如何，该最小流率174都可以被 本地或远程调整为下降到零。点B 172是线性阀门杆移动致动器14(图5A 所示)被命令进一步打开处的点。点C 180与点D 182之间的第二流率水平 173是具有增大的压差的第二固定阀门塞位置(行程中间的某处)的流率。 点D 182还表示阀门致动器14被命令完全打开处的点。点E 170显示由于 线性阀门杆移动致动器被命令达到其完全打开的位置而使阀门18(图5A 所示)受到其最大流量极限的限制时的最大流率水平178的差压和流率。 最大流率水平178可以被本地或远程调整，以在两管道水温转换系统中节 省能量。

还可以对冷却器与锅炉之间的能量同步进行调整，以补偿管道和盘管 退化，并且防止盘管溢出并保持有能效的温差。通常，冷却器和锅炉在以 其所设计的入口温度与出口温度差进行操作时会以最高效率进行操作(即， 处于以最低成本提供冷却或加热的每个单位(例如，每个BTU)的工作点)。 对于冷却器，可以将所述差定义为返回水温度减去供应水温度，并且对于 锅炉，可以将所述差定义为供应水温度减去返回水温度。图5A的线性阀门 杆移动致动器14能够在冷却器或锅炉因需要冷却或加热的区域太少而具有 较低温差的情况下自动减小最大流量设定点或增大最小流量设定点。盘管 溢出是通过阀门的水的速度太大从而导致热传递效率下降以及用于操作系 统的能量的成本增大的状况。

如果正确地完成了系统的所有设备选择和安装，并且如果不需要负载 调整，那么压力无关阀门固定的高流量限制适当地工作。然而，在机械操 作的压力无关阀门被安装之后所做的任何调整都将是非常耗时的，因为必 须直接接入(access)每个阀门以识别和/或改变其流量设定。另外，随着系 统的管道系统和盘管由于碎屑、腐蚀以及可能的机械损坏而发生内部和外 部退化，最初的固定的高流量极限可能不再与系统匹配，并且由于上述原 因，该极限不能被容易地改变。

如图12的图解说明中的由点A 150所表示的流率和差压所示，机械操 作的压力无关阀门不提供最小流率。如零流量与点A 150之间的流率斜坡 152所示，在机械压力无关阀门将以其压力无关模式进行操作之前，该阀门 将在其入口与出口间具有最小压差。零流量与点A 150之间的该流率斜坡 152并非最小流率，因为其直接受到来自其输入信号的阀门命令位置和阀门 的入口与出口间的压力的影响。

在很多时候，最小流率对于确保存在用于保护系统中的其它机械装备 并使其保持有效率的操作的适当流量是有价值的。在点A 150与图12中的 由点E 154所表示的流率和差压之间，并且在点A 150与由点B 156、点C 158 和点D 160所表示的流率和差压之间，阀门将基于其命令位置改变其流量， 并将保持该流量而不管阀门两端的压差如何。

在本发明的实施例中，借助于阀门本地的编辑能力以及经由开放协议 总线的远程编辑能力，阀门和致动器组件36提供如图13的点E 170所示的 高(最大流率)压力无关阀门流量操作设定、以及一个或两个独立的低(最 小流率)压力无关阀门流量操作设定。流率设定可以在季节的基础上被手 动或自动改变以针对天气状况进行调整，流率设定可以用于负载减小的情 况以抑制峰值功率电过载，流率设定可以用于防止盘管溢出以节省能量， 流率设定可以用于提供低能量管道和盘管冻结保护，流率设定可以用于维 护和周期性负载调整、以及其它应用。在图13中的点B 172与点E 170之 间，阀门将在其命令位置的基础上改变其流量，并且将保持该流量而不管 阀门两端的压差如何。

大多数(如果不是所有的)常规压力无关阀门具有固定的最大流量设 定，该设定仅能够在阀门处被本地设定或识别。为了识别当前设定，必须 接入阀门，并且仅能够在阀门处改变设定。由于商业建筑物可能具有数百 或数千的阀门，因而对阀门组进行该类型的调整可能需要大量的时间和工 作量来接入所有单元。

然而，如本文中充分解释的，本发明的实施例提供了在常规阀门和致 动器系统中通常无法得到的几个特有特征。这些特征包括但不限于：

1)用于识别各个阀门或阀门组上的高流量设定以对建筑物进行智能的 重新调节的远程接入；

2)用于改变各个阀门或阀门组上的高流量设定以对建筑物进行智能的 重新调节，从而防止盘管溢出并且高效地实施加热/冷却季节性转换调整的 远程接入；以及

3)具有本地和远程接入能力以识别和改变流率设定的低流率。该低流 率可以与建筑物的冷却器和锅炉同步，以确保最小负载能够使冷却器和锅 炉在其最大效率负载点下进行操作，从而降低电和天然气消耗。其还可以 用于在保持低能效流量的同时自动保护管道和盘管系统使其不发生冻结状 况，并且用于消除对单独的冻结保护设备的需要。

压力无关阀门通常是基于要被用于进行控制的盘管的最大设计流率来 选择的。压力无关阀门利用特定控制输入信号来提供恒定流量，而不管差 压如何。通常，这是通过使用内部差压控制器或通过测量流量并自动调整 阀门塞以保持恒定流量来实现的。压力无关阀门在所定义的差压范围内提 供该恒定流量。如果阀门的控制信号命令阀门到达其完全打开位置，那么 阀门还具有限制流量的最大流率。

在特定实施例中，压力无关阀门通过允许泵的可变频率驱动(VFD) 在其满足系统要求的最低可能速度下运行来提高能量效率。这些阀门还可 以使与其它阀门的相互作用最小化，并且降低安装成本，因为简化了手动 流量平衡并且显著缩短了试运转时间。此外，压力无关阀门可以通过跨越 盘管保持更恒定的温度下降来提高冷却器/锅炉系统的效率。压力无关阀门 还可以通过向控制阀门提供恒定控制输入信号或通过在阀门的最高额定流 量与所需的平衡流率匹配时提供最大控制输入信号来用作自动平衡阀门。

在本发明的特定实施例中，阀门和致动器组件36在一个集成组件中包 括阀门18、线性阀门杆移动致动器14、室温控制器8、水温感传器22、流 率传感器19、入口和出口压力传感器20、21、阀门塞位置传感器23和冻 结检测控制器27。在更特定的实施例中，阀门和致动器组件36可以被用户 配置为用于压力有关(PD)或压力无关(PI)阀门控制。在本发明的某些 实施例中，阀门和致动器组件36被配置为使用单独连接的温度控制器而非 内部温度控制器来提供压力有关或压力无关控制。

在特定实施例中，例如，图5A示出了通过在PI-PD模式跳线16上选 择期望的模式来经由跳线开关在压力有关与压力无关之间进行现场选择。 在一些实施例中，阀门和致动器组件36从室温传感器1和房间设定点设备 2接收信号，并且基于室温传感器1与房间设定点2之间的差来判断是需要 打开还是闭合线性塞移动阀门18。通过从PI-PD模式选择设备15接收其信 号的线性阀门杆移动致动器14来机械设置线性塞移动阀门18的位置。线 性塞移动阀门18具有可以沿着设置在阀门的入口通路与出口通路之间的阀 门口的纵向流动轴移动的塞。线性塞移动阀门18包括固定密封口或阀门座、 以及通常为圆柱形的外部塞，该外部塞在线性平面中从固定密封口向上朝 向阀门的最大打开位置行进，对于压力有关操作，该位置受到相对的线性 塞移动阀门18的外壁的限制，或者对于压力无关操作，该位置受到具有集 成冻结保护的阀门和致动器组件36的电子控制位置的限制。

可以将线性阀门杆移动致动器14设定为用于灵敏控制或非灵敏控制， 非灵敏控制具有非灵敏带设定，以防止在相对于受控区域而言尺寸过大的 水系统中出现过冲。PI-PD模式选择设备15根据PI-PD模式跳线的位置来 利用压力有关或压力无关控制算法。在由PI-PD模式跳线16将具有集成冻 结保护的阀门和致动器组件36设置为用于压力有关阀门操作时，压力有关 /压力无关模式选择设备15从压力有关模式水阀门位置控制器11接收其信 号。

图7是根据本发明的实施例的被配置有集成冻结保护的阀门和致动器 组件36的示意图。阀门和致动器组件36包括具有阀门塞100的阀门18， 阀门塞100位于阀门座101中。阀门18还包括流率传感器19、从HVAC 管道系统接收水或水混合物的具有入口压力传感器20的入口41、以及向 HVAC管道系统供应水或水混合物的具有出口压力传感器21的出口42。阀 门18还具有水温传感器22和塞位置传感器23。

阀门塞100的位置受到线性阀门杆移动致动器14的控制，线性阀门杆 移动致动器14使用经由联动组件45耦合到阀门塞100的电机和齿轮系44 来设置阀门塞100的位置。线性阀门杆移动致动器14还包括电路板47，在 特定实施例中，电路板47包含用于本文中所描述的并且在图5A和5B中所 示意性地示出的各种控制器、控制模块和网络通信模块的电路。

图8-10是显示阀门塞100的操作的各种模式的示意性表示。具体地， 图8显示了线性塞移动阀门的塞100的最小流量或闭合位置。这显示了在 相对于阀门座101完全闭合时的阀门塞100的位置。在该位置上，可能除 了非常少量的泄漏之外，没有流量流过阀门塞100与阀门座101之间的可 能很小的缝隙。对于压力有关和压力无关阀门操作，线性塞移动阀门的阀 门塞100的最小流量或闭合位置是相关的。

加热和冷却源(例如来自锅炉或冷却器)与泵之间的管道系统可以是 直接返回或反向返回的。在直接返回系统中，系统中的管道的长度对分支 或环中的每一个而言都不同。这些不同的长度在每个环内创建不同的分支 差压。不同的分支差压又会导致不同的流体在相同尺寸的阀门的阀门塞处 于相同位置时流过所述阀门。该不平衡状况需要在不同分支电路之间进行 手动平衡，以使阀门中的每一个具有相同的能力来获得更多或更少的加热 和冷却流体量，以控制温度。通常通过与分支串联的可调整阀门对具有较 低压力的分支电路中的流量进行限制来实现手动平衡。在反向返回系统中， 管道长度被设计为等于每个分支电路的长度。相等的管道长度允许每个环 内的差压相等，并且消除了对于对电路进行平衡的需要。由于具有直接返 回管道的系统在系统的分支电路之间的固有的较大变化，具有直接返回管 道的系统比具有反向返回管道的系统更能从压力无关阀门控制中获益。

在PI-PD模式跳线16被设置用于压力有关阀门操作时，阀门塞100的 最大流量位置是如图9所示的完全打开，以使流量将随阀门两端的差压而 发生变化。在PI-PD模式跳线16被设置用于压力无关操作时，阀门塞100 的最大流量位置将如图10所示地发生变化，并且基于远程最大流量信号4 而受到压力无关模式水阀门位置控制器13的控制，而不考虑室温传感器1 与房间设定点设备2之间的温差。在压力无关模式中保持最大流量，因为 必须限制流率以允许水或水二醇混合物在盘管中存在足够时间，以提供适 当的热传递。

尽管已经相对于一些优选实施例描述了本发明的方面，但是本领域技 术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以在形式和细 节上做出改变。例如，流体控制阀门可以具有线性运动塞行程，例如具有 球心阀或闸门阀，或者流体控制阀门可以具有角度旋转塞行程，例如具有 球阀、蝶形阀或靴形阀。作为另一个示例，可获得具有通常被称为非弹簧 回位的原地失效的断电位置的致动器。还可获得具有通常被称为弹簧回位 的断电预设位置的其它致动器。非弹簧回位型致动器在供电损失时保持在 其最后的命令位置。弹簧回位型致动器利用机械弹簧或者电容器或电池以 及供电损失检测电路来检测供电损失，并且然后将致动器设置到预设位置， 直到恢复对致动器的供电。本发明的实施例可以包括但不限于前述阀门和 致动器类型中的任何类型，包括线性阀门塞移动阀门18和线性阀门杆移动 致动器14。

在图5A和5B的实施例中，阀门和致动器组件36包括阀门流率传感器 19、入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器21、阀门塞位置传感器 23、抗汽蚀控制模块26以及能耗计算和保留模块24。具有集成冻结保护的 阀门和致动器组件36适合于与各种流率传感器19和各种压力感测技术一 起使用。这些包括但不限于：1)差压；2)正位移；3)速度；4)质量流 量。

差压传感器的操作基于阀门两端的压力下降与流率的平方成比例的前 提。通常，通过测量压差并提取平方根来获得流率。这需要初级元件来引 起动能变化(例如，线路中的用于创建上游压力与下游压力之间的差的缩 窄)并且需要次级元件来测量差压。例如，可用的差压传感器包括孔板传 感器、文丘里管传感器、流量管传感器、流量喷嘴传感器、皮托管传感器、 弯头分接传感器、定靶传感器、可变面积传感器(转子流量计)、阿牛巴传 感器和v锥传感器。

正位移传感器将液体分成具体的离散增量并使其继续前进。总流量是 所测得的增量的累积，并且通常是在一定时间段内被记录并存储到寄存器 中的一系列计数。可用的正位移传感器包括往复活塞、椭圆齿轮、盘式、 回转片和螺旋结构。

速度传感器关于体积流率进行线性操作，并且可以使用几种不同的技 术来获得该速度传感器，所述技术包括涡轮传感器、涡流发散传感器、旋 涡传感器、康达效应和动量传感器、交换传感器、电磁传感器、超声波传 感器、多普勒传感器和渡越时间传感器。

与体积流量相反，质量传感器利用包括热量计(热分散)传感器、科 里奥利传感器和热传感器的各种可用设计来直接测量质量流率。

在本发明的某些实施例中，具有集成冻结保护的阀门和致动器组件36 被配置为以具有完全局部控制的独立非通信模式进行操作，而在替代实施 例中，具有集成冻结保护的阀门和致动器组件36包括网络通信模块并且被 配置为在通信网络中进行操作，该通信网络允许通过阀门和致动器组件36 来发送和接收信息，以使阀门和致动器组件36的操作与建筑物管理系统 (BMS)以及建筑物中的其它HVAC装备(例如加热、冷却、泵送系统) 同步，以提供用于远程监测、警报和数据保留的诊断和能量数据。网络通 信模块可以包括例如远程通信控制输入信号设备7和远程通信控制输出信 号设备29。

远程通信控制输入信号设备7经由串行通信总线从建筑物管理系统 (BMS)接收相关的阀门和HVAC盘管系统数据，该数据包括加热冷却模 式信号3、远程最大流量信号4和远程最小流量信号5。这些信号允许具有 集成冻结保护的阀门和致动器组件36与BMS以及建筑物的机械加热、冷 却和泵送系统同步，以提高建筑物的HVAC系统的能量效率。这些信号以 能够保持的方式存储在远程通信控制输入信号设备7中，以使具有冻结保 护的阀门和致动器组件36的操作可以适应于处于独立模式或处于通信网络 模式的HVAC机械管道系统。如果出于任何原因而失去了与BMS网络的通 信，则以能够保持的方式存储的信号也允许以通信网络模式进行适当操作。

对于独立操作，可以利用软件编程工具来编辑远程通信控制输入信号7 的值，该软件编程工具最初用于确立具有集成冻结保护的阀门和致动器组 件36的设定，但不要求将其留给阀门和致动器组件36。软件编程工具还用 于针对独立和网络通信模式二者最初调整用于阀门和致动器组件36的基本 操作的操作参数，如图6所示。如图6所示，可调整的操作参数具有默认 设定，可以将默认设定预设为向典型的HVAC水系统提供稳定控制的值， 以使具有集成冻结保护的阀门和致动器组件36在无需调整的情况下与所有 系统一起非常合理地工作。如果期望进一步优化阀门和致动器组件36以使 其与建筑物的独特的HVAC状况匹配，则任选的调整将允许用户定制阀门 和致动器组件36的运转状态，以使其与建筑物管理系统一起更好地工作。

如果任选的独立测试的测量结果判断输入传感器与另一经校准的测量 结果不匹配，则图6中所示的可调整的操作参数中的一些参数通过将具有 默认设定为零的偏移值改变为正数或负数以抵消任何误差来进行输入传感 器的任选校准。图6所示的其它可调整操作参数包括不同国家中的操作的 单位的选择、以及用于温度、压力、流量和能量计算值的不同单位的选择。

压力有关模式水阀门位置控制器11从提供流经阀门的水的体积的水压 和流量计算模块25、指定在可能的冻结状况期间所需的最小水流量的水盘 管最小流量控制模块10、用于提供输出控制信号的区域气温控制器8、以 及指示何时入口和出口压力是使得能够发生汽蚀状况的值的抗汽蚀控制模 块26接收输入。区域气温控制器8将从本地硬布线的控制输入信号设备6 接收的室温传感器1的值与房间设定点设备2的值进行比较，并判断阀门 18是否需要按比例打开或闭合来保持期望的室温。压力有关模式水阀门位 置控制器11使用线性输入信号来输出保留固有线性塞移动阀门18的水流 量曲线的命令关系，除非可选地设置了替代的曲线调整。

典型地，HVAC盘管是由连接到用于加热或冷却空气的一片片的导热 肋片(通常为铝)的一排排的导热水管(通常为铜)构成的肋片和管状热 交换器。阀门用于改变通过盘管的流体流量。通常对调节阀门进行选择， 以使穿过其完全打开的主体的压力下降是跨越管道系统的压力下降的至少 50％。

阀门控制的HVAC盘管系统可以是两管道加热、两管道冷却、两管道 加热和冷却、三管道加热和冷却、或四管道加热和冷却。所有两管道系统 都具有用于锅炉或冷却器的一个管道和用于为盘管供应流体的泵，并且还 具有用于使流体返回到锅炉或冷却器的第二管道。

对于两管道加热和两管道冷却系统，对盘管尺寸和容量以及阀门尺寸 和流量容量进行选择以提供热量传递来对受控空间内的热量损失(对于加 热系统)或热量增益(对于冷却系统)进行补偿。对于加热应用，盘管尺 寸和容量基于源加热流体温度与期望的受控空间温度之间的温差、以及受 控空间中的热量损失的量。用于对空间进行加热的该流体温度与受控空间 温度相比通常非常高，其绝对差为100°F(55.5℃)或更大。对于加热盘管 系统，通常需要180°F(82.2℃)到200°F(93.3℃)或更高的流体温度来 提供盘管热传递，以将受控空间加热到70°F(21.1℃)。

对于冷却应用，盘管尺寸和容量基于源冷却流体温度与期望的受控空 间温度之间的温差、以及受控空间中的热量增益的量。用于对空间进行冷 却的该流体温度与受控空间温度相比通常相当低，其绝对差为40°F(22.2 ℃)或更低。对于冷却盘管系统，通常需要40°F(4.4℃)到45°F(7.3℃) 的流体温度来提供盘管热传递，以将受控空间冷却到75°F(23.9℃)。

两管道加热和冷却盘管具有利用热流体进行加热或利用冷流体进行冷 却的一个盘管。由于加热流体与受控空间温度之间的加热流体温差和冷却 流体与受控空间温度之间的冷却流体温差之间的差，并且由于受控空间的 热量损失与冷却增益特性之间的差异，将受控空间加热到其期望的温度所 需的流体的量总是不同于将空间冷却至其期望的温度所需的水的量。

此外，通过盘管进行的加热和冷却热量交换也是不同的，因为空气加 热是完全可感测的热量，因为其唯一的效果是产生温度变化，而对于空气 冷却，既有可感测的热量传递又有潜在的热量传递，因为如果盘管温度低 于受到冷却的空气的露点就可能在盘管表面上发生冷凝。通过盘管的排水 盘流出的水，冷凝是很明显的。

出于这些原因，用于加热和冷却二者的两管道系统将在加热时为受控 空间提供良好的热量传递，但不足以在冷却时提供良好的热量传递，或者 两管道系统将在冷却时为受控空间提供良好的热量传递，但不足以在加热 时提供良好的热量传递。

三管道和四管道加热和冷却系统避免了两管道加热和冷却系统的不充 分的控制，因为它们具有可以具有不同尺寸和容量的两个盘管。将加热盘 管选择为与受控空间的可感测热量损失匹配，并且将冷却盘管选择为与受 控空间的可感测热量增益和潜在热量增益匹配。三管道系统和四管道系统 具有用于锅炉的一个管道和用于向盘管供应加热盘管流体的泵，并且具有 用于冷却器的第二管道和用于向盘管提供冷却盘管流体的泵。三管道加热 和冷却系统具有用于加热和冷却流体的一条公共返回管道，而四管道加热 和冷却系统具有两条单独的返回管道；一条用于加热并且另一条用于冷却。

对于用于加热和冷却二者的两管道系统，由加热/冷却模式信号3来判 断打开和闭合阀门的适当的方向。打开和闭合阀门18的适当方向将根据阀 门水源正在提供热水还是冷水来改变，提供热水要求阀门18打开以使房间 升温，提供冷水要求闭合阀门18以使房间升温。加热冷却模式信号3具有 本地非易失性模式选择，如果阀门总是利用热水或冷水进行操作，例如利 用用于加热的两管道系统、用于冷却的两管道系统、或具有两个盘管和两 个阀门的用于加热和冷却的四管道系统，则模式选择可以是固定的，以限 定打开或闭合阀门18的方向。如果在前述两管道系统中水温从热变冷，则 可以由BMS从远程位置通过串行通信总线来重写加热冷却模式信号3。

区域气温控制器8对室温传感器1的值与房间设定点设备2的值之间 的差进行数学计算，并且然后使用其可调整的比例带设定来为线性阀门杆 移动致动器14提供经验位置。线性阀门杆移动致动器14的经验位置使用 阀门塞位置传感器23的值和室温传感器1的值来验证阀门塞的位置被适当 设置以保持被输入到房间设定点设备2中的值。阀门塞位置传感器23的反 馈值用于验证阀门塞位置处于其命令位置，而不管内部阀门压力如何，该 内部阀门压力在泵特性曲线随着管道系统中的影响管道系统的压力的其它 阀门的位置而动态移动时发生改变。

室温传感器1的反馈值用于验证所计算出的线性塞移动阀门18的位置 将提供正确的热传递量，以使室温传感器1与房间设定点2的值相同或接 近。由于房间热损失和增益不会总是与HVAC水盘管热传递经由线性塞移 动阀门18提供的热量相同，因而在室温传感器1的值与房间设定点设备2 的值之间不时会产生变化的温度下降或偏移差。可以通过可调整区域气温 控制器8的积分设定来使室温传感器1与房间设定点设备2之间的温度下 降大大减小，该积分设定提供了添加到线性阀门杆移动致动器14的命令位 置上的负调整值或正调整值。这将进一步驱动线性塞移动阀门18来提供更 多或更少的热量，以消除室温传感器1的值与房间设定点设备2的值之间 的差。区域气温控制器8中还可获得可选的导数设定，以在存在大的负载 变化时预期室温的快速变化，从而改善HVAC系统响应。在特定实施例中， 压力有关模式水阀门位置控制器11使用区域气温控制器8作为其初级输 入，并且然后将其水压和流量计算模块25的输入以及其水盘管最小流量控 制模块10的输入进行比较，以判断水和流量状况是否使区域气温控制器8 的所计算的输出必需被重写为较高的流量水平，以避免HVAC水盘管63(图 1所示)和相关联的管道系统发生冻结状况。水温传感器22感测的实际阀 门水温用于冻结判断，以避免可能由于附近气温与水温相同的假设而导致 的问题。例如，诸如此类的误差可能使系统由于在不需要时迫使经过阀门 18的水流达到满流量状态而浪费能量。其还可能导致系统由于冻结状态计 的不当安装或由于空气分层而无法感测水冻结状况。

阀门水温传感器22可以由电阻式温度器件(RTD)构成，该RTD与导 热脂一起位于线性塞移动阀门18的外壁中以提供良好的热传递。通过将 RTD与已知参考电阻器串联并向两电阻施加电流来测量RTD的电阻。然后 测量电阻两端的电压，并且然后将该电压数字化以表示水温。

在阀门水温传感器22检测到可能的冻结状况时，水盘管最小流量控制 模块10和压力有关模式水阀门位置控制器11将重写区域气温控制器8，以 提供为避免由远程最小流量信号5确立的冻结状况所需的最小流量。在系 统操作的示例中，最小流量持续到水温在5分钟或更长的时间内上升到高 于冻结温度设定点至少10°F(5.6℃)，并且温差、时间段和冻结温度设定 点设定可以通过冻结检测控制模块27来进行现场调整。在另一个示例中， 冻结保护为自动复位类型，并且将在满足温差和时间段要求之后恢复到区 域气温控制8。

本发明的实施例克服了传统硬布线自动复位冻结状态计的不对建筑物 人员发出室外空气通风控制器、室外空气通风致动器或室外空气通风风门 可能存在问题的警报的限制，并且还避免了常规硬布线手动复位冻结状态 计的在手动接入并复位手动复位冻结状态计之前都禁用正常控制的限制。

抗汽蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器 21、阀门水温传感器22和阀门特定的汽蚀系数来判断是否存在汽蚀状况或 者预测是否会发生汽蚀。由于水温影响汽蚀区域，而汽蚀区域也取决于阀 门的最大容许压力差，因而抗汽蚀控制模块26使用水温来计算流体蒸汽压 力，该流体蒸汽压力与入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21 一起使用来预测初始汽蚀点。

阀门特定的汽蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口压力 与外部出口压力之差和内部入口压力与阀门压力中的最小压力之差的比 值。通常，阀门特定的汽蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀 门中的汽蚀通常是从阀门塞的经历汽泡以及相应产生的噪声的仅小部分开 始的逐渐变化的过程。二醇含量用于进行蒸汽压力调整，因为蒸汽压力随 着水二醇混合物以及水温而变化。在由抗汽蚀控制模块26计算可能的汽蚀 状况时，压力有关模式水阀门位置控制器11对区域气温控制器8进行重写， 以减小阀门18的差压下降，直到其脱离汽蚀区域为止。

通过下述计算来判断阀门两端的为避免汽蚀而不应超过的最大容许压 力下降：

ΔP＝VSCC*(P1-Pv)

ΔP＝初始汽蚀的压力下降

VSCC＝阀门特定的汽蚀系数

P1＝阀门入口压力(psia)

Pv＝在流动水温下的水混合物的蒸汽压力(psia)

Psia＝psig+14.7

通过参考水混合二醇的含量和水混合的温度的抗汽蚀控制模块26查找 表来计算Pv。

在某些实施例中，阀门塞位置传感器23用于对实际流量与命令位置的 匹配进行远程指示和验证。硬布线位置输出信号28和远程通信控制输出信 号设备29接收来自阀门塞位置传感器23以及水压和流量计算模块25的信 号，并提供作为总流量的百分比的实际阀门流量。硬布线位置输出信号28 提供直流输出电压信号，并且位置输出信号30向BMS提供其从远程通信 控制输出信号29接收的串行数据通信数值输出信号。

在本发明的实施例中，硬布线位置输出信号28和位置输出信号30克 服了常规控制阀门中存在的由阀门致动器位置估算水流量位置的固有问 题。该常规方法引入了误差，因为致动器位置仅指示阀门塞位置，而不指 示流量百分比，因为阀门18的水流量并不总是与其位置呈线性关系，并且 因为在常规阀门致动器与阀门之间存在由于后坐、移动滞后或故障而能够 引入误差的机械联动装置。

对于压力有关和压力无关操作二者，远程通信控制输出信号设备29接 收相关的阀门18和HVAC盘管系统63(图1中所示)的数据值，可以经 由串行数据通信总线将该数据值传送到BMS。在一些实施例中，该数据可 以包括由水压和流量计算模块25计算的水流量信息、由阀门水温传感器22 提供的水温值、由能耗计算和保留模块24计算的能量信息、从致动器行程 和受力状态模块17接收的诊断信息、来自抗汽蚀控制模块26的诊断报告、 以及来自冻结检测控制模块27的冻结控制历史。

在其它实施例中，能耗计算和保留模块24使用阀门水温传感器22以 及来自水压和流量计算模块25的流量信息来计算以英国热力单位(BTU) 或国际单位制的千焦表示的热能、以及用于能耗跟踪的总体值。可以由BMS 清除累积的能量信息，以使其能够远程存储用于永久保留的信息。远程通 信控制输出信号设备29向串行通信总线提供位置输出信号30、流量信息 31、温度信息32和能量信息33，用于进行远程能量报告和保留。

在特定实施例中，诊断信息模块34提供从致动器行程和受力状态模块 17接收的诊断信息，其包括关于阀门行程长度是否由于阀门18中的碎片或 者由于机械联动装置或阀门部件故障而发生改变的判断。这通过致动器的 当前操作行程范围和操作力与以可保留的方式存储在致动器中的初始行程 范围和操作力之间的比较来检测。在实施例中，诊断信息模块34还提供从 抗汽蚀控制模块26接收的诊断信息，其指示汽蚀状况的存在和持续时间。 冻结信息模块35提供与例如在过去七天中冻结发生的次数和总冻结模式持 续时间有关的信息。

在通过PI-PD模式跳线16将具有集成冻结保护的阀门和致动器组件36 设置为用于压力无关阀门操作时，PI-PD模式选择设备15从压力无关模式 水阀门位置控制器13接收其信号。在特定实施例中，压力无关模式水阀门 位置控制器13使用来自流量复位程序12、水盘管最大流量控制器9、水盘 管最小流量控制器10的输入，并且使用由水压和流量计算模块25和抗汽 蚀控制模块26计算的水流量信息。

流量复位程序12将来自区域气温控制器8、用于线性阀门杆移动致动 器14的所计算的数值位置转换为计算的位置来提供水流量控制。就压力无 关算法而言，初级控制是由室温设定点来确定的水流量控制。压力无关模 式水阀门位置控制器13具有可调整的下比例带、上比例带、比例下/上变换 点、以及上和下积分和导数设定，以获得准确且稳定的流量控制。两种不 同比例设定可用于使处于较高流率的压力无关流量控制以及可调整变换点 不敏感，该变换点判断上比例带、上积分设定和上导数设定是否有效、或 者判断下比例带、下积分设定和下导数设定是否有效。

比例带用作控制环的增益。小比例带提供较高增益或灵敏度，并且大 比例带提供较小灵敏度控制。下比例带设定在高达远程最大流量信号4的 可调整变换点的流率下有效，并且上比例带设定在高于最大流量信号4的 可调整变换点的流率下有效。与所有其它具有集成冻结保护的阀门和致动 器组件36一样，下比例带、上比例带、比例带下/上变换点、以及上和下积 分和导数设定被预设成为典型的HVAC水系统提供稳定控制的值。积分设 定在受控流量与流量复位程序12所计算的流量设定点不匹配时提供被添加 到线性阀门杆移动致动器14的命令位置的负或正调整因数。在压力无关模 式水阀门位置控制器13中还可获得可选的导数设定，以在存在大的负载变 化时预期室温的快速变化，从而改善HVAC系统响应。压力无关模式水阀 门位置控制器13使用保留线性塞移动阀门18的水流量曲线的线性输出命 令关系，除非已经可选地设置了替代的曲线调整。

压力无关模式水阀门位置控制器13具有用于进行比重调整的二醇含量 设定，因为二醇-水混合物具有比纯水高的比重。由于比重随着混合物中的 二醇浓度的升高而增大，因而在相同的线性塞移动阀门18位置，水流量将 低于纯水。压力无关模式水阀门位置控制器13通过使用用于进行比重调整 的二醇含量来补偿二醇-水混合物。

区段气温控制器8将流量设定点从图13中的点A 176到点B 172所示 的最小流量水平复位至开始于图13中的点E 170的最大流量水平。水盘管 最大流量控制器9定义最大流量，该最大流量被选择为与HVAC水盘管63 (如图1所示)所设计的最大流率匹配。在本发明的特定实施例中，水盘 管最小流量控制器10确立用于压力无关流量换算的最小流率，并且还确立 用于冻结保护的最小流率。水盘管最小流量控制器10使用与阀门和致动器 组件36被配置为用于压力有关操作时相同的冻结保护序列来进行操作。在 本发明的另一个实施例中，水盘管最小流量控制器10提供双重最小流量设 定。第一流量设定用于冻结保护并且被设定在将避免冻结状况的最小流量。 第二最小流量设定接收自远程最小流量信号5，并且由BMS提供，用于实 现使最小流率与建筑物的冷却器和锅炉同步，以使它们在其最有能效的入 口到出口温差下进行操作的目的。还应注意，上述同步可以适用于除锅炉 和冷却器以外的装备。通常，线性阀门杆移动致动器14可以被配置为设定 用于使流率同步以使一件装备在其最有效的操作点处进行操作的第二最小 流率。

离心机冷却器被设计为在满负载并且以其所设计的入口到出口水温差 下进行操作时具有最高能效。如果冷却器由于冷却水阀门水流量过高(提 供低于理想状态的热传递)或者流量过低或没有流量(使得热传递很少或 没有热传递)而具有过低的温差，那么冷却器将由于回水温度过低而无效 率地进行操作。同样，无效率地进行操作的一个冷却器可能要求另一个冷 却器按照需要的附加能量进行排序，因为这两个冷却器都是在无效率地操 作。此外，该无效率的操作提高了维护成本。

机械加热装备在非满负载的情况下也不以其所设计的效率操作。就冷 凝式锅炉而言，较高的返回温度能够避免不能满足废气的露点的冷凝过程。 如果锅炉由于加热阀门流量过高(提供低于理想状态的热传递)或者流量 过低或没有流量(使得热传递很少或没有热传递)而具有过低的温差，那 么锅炉将由于回水温度过高而无效率地操作。

抗汽蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器 21、阀门水温传感器22和阀门特定的汽蚀系数来判断是否存在汽蚀状况或 者预测是否会发生汽蚀。由于水温影响汽蚀区域，而汽蚀区域又取决于阀 门的最大容许压差，因而抗汽蚀控制模块26使用水温来计算流体蒸汽压力， 流体蒸汽压力与来自入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21的 数据一起使用来预测初始汽蚀点。

阀门特定的汽蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口压力 与外部出口压力之差和内部入口压力与阀门压力中的最小压力之差的比 值。通常，阀门特定的汽蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀 门中的汽蚀通常是从阀门塞100的经历汽泡以及相应产生的噪声的仅小部 分开始的逐渐变化的过程。二醇含量用于进行蒸汽压力调整，因为蒸汽压 力随着水二醇混合物以及水温而变化。在由抗汽蚀控制模块26计算可能的 汽蚀状况时，压力无关模式水阀门位置控制器13对流量复位程序12进行 重写，以减小阀门的差压下降，直到其脱离汽蚀区域为止。

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本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发 明的最佳方式。本领域技术人员在阅读了前述说明之后，这些优选实施例 的变型将变得显而易见。发明人希望熟练技术人员能够酌情采用这种变型， 并且发明人旨在采用本文中具体描述的方式以外的方式来实践本发明。因 此，本发明包括所附权利要求中列举的主题内容的被适用法律所许可的所 有修改和变型。此外，本发明包含上述要素的所有可能的变型形式的任何 组合，除非上下文明显矛盾。