具有集成能量计量的先进阀门致动器

摘要

自动控制阀门致动器组件配置为经由阀门闭合件的定位控制阀门的打开和闭合。阀门致动器还配置为确定流过阀门的流量。在一个实施例中，阀门致动器包括集成能耗计算和保留模块，集成能耗计算和保留模块配置为计算热能以用于能耗追踪。

说明书

技术领域

本发明总体涉及阀门和阀门致动器以及流量和能量计，且更具体地涉 及配置为通过通信能力电控的阀门和阀门致动器以及流量和能量计。

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。对于这些商业和工业系统，为了实现监测和追踪能量使用的任何能 力，需要获得且安装多个单独的部件到控制阀门组件。然而，这倾向于以 昂贵且耗时的方式努力监管能耗。

自动控制阀门被用于通过借助于定位阀门闭合件限制流体流量而控制 在流体加热或冷却系统中的温度、湿度、或压力。自动控制阀门响应于外 部或内部控制器或恒温器操作，且经常与其它设备一起使用以计算且指示 经过的流体体积和由流体系统消耗的能量、以及与过程控制或建筑物管理 系统(BMS)接口。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过程控制和HVAC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明显。

发明内容

在一个方面，本发明的实施例提供自动控制阀门和致动器组件，其包 括：阀门，其配置为控制进入换热器负载或HVAC盘管的流体流量；和阀 门致动器，其配置为经由阀门闭合件的定位控制具有内部机械流量控制机 构的自致动压力无关阀门的打开和闭合。在一个实施例中，阀门致动器包 括集成流体流量和能耗计算和保留模块，集成流体流量和能耗计算和保留 模块配置为计算热能以用于能耗追踪。

在某些实施例中，能耗计算和保留模块利用来自阀门流率计的数据计 算热能以用于能耗追踪，阀门流率计计算流经阀门的液体的流率。也使用 来自流体温度传感器的数据，所述数据测量横跨盘管或负载的温差以提供 能量的计算。

在其它实施例中，阀门致动器具有通信模块，通信模块配置为通过网 络促进与阀门致动器通信，且还配置为允许远程监测流经阀门的流体流量 和远程控制阀门致动器。能耗计算和保留模块可联接到通信模块，以使来 自能耗计算和保留模块的数据可以被本地和远程访问。

在另外的实施例中，阀门致动器配置为在连接到机械的压力有关阀体 的同时电子提供压力无关阀门功能性。在又另外的实施例中，阀门致动器 配置为产生防止流体在HVAC盘管或换热器中冻结的流经阀门的自动最小 流量，且其中，来自能耗计算和保留模块的数据用于操作阀门致动器，以 使联接到HVAC阀门和致动器组件的任何冷却器和锅炉在其最高效温差下 操作。

在一些实施例中，阀门致动器具有多个可调整操作参数，且所述多个 可调整操作参数可以被本地或远程调整。阀门致动器还可包括诊断模块， 诊断模块配置为向远程位置提供有关阀门和致动器组件的操作的诊断信 息，其中，诊断模块提供与由能耗计算和保留模块提供的能耗数据相关的 诊断信息。

在具体实施例中，阀门致动器具有：马达和齿轮系，其由直接连接或 弹簧加载的联动组件联接到节流阀门闭合件；和电路板，其具有用于调节 马达和齿轮系的操作的控制电路、以及用于使所述致动器能够经由串行通 信总线与建筑物管理系统进行通信的通信电路。阀门致动器也可配置为将 机械的压力有关阀体操作为压力无关阀门或压力有关阀门。

通过结合附图来考虑以下具体实施例，本发明的其它方面、目标和优 点将变得明显。

附图说明

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

图1是现有技术的具有流体和能量监测的HVAC阀门构造的示意图；

图2是开放系统互连和TCP/IP概念网络模型的并置图；

图3是现有协议、层、和连接媒介的概览图；

图4是示出机械的压力无关阀体杆位置和流体流量之间的关系的图表；

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

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

图7是集成封装中包含的新技术设计的物理图；

图8是示出根据本发明的实施例的阀门闭合件闭合的示意图；

图9是根据本发明的实施例的用于压力有关控制的阀门闭合件打开的 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阀门闭合件打开的 示意图；以及

图11是根据本发明的实施例的气蚀区域(气蚀区域)水温关系的图解 说明。

尽管将结合某些优选实施例来描述本发明，但是这并不是要将本发明 限制于那些实施例。相反，其旨在覆盖由所附权利要求所限定的本发明的 精神和范围内所包括的所有替代物、修改和等同物。

具体实施方式

图1是示出常规HVAC系统110的示意图，常规HVAC系统110需要 多个装置来获得所需的水阀门控制和流体流量及能耗计算。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63调整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63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，并将温度感测信号与房间设定点装置53提供的期望的室温设定点进 行比较，房间设定点装置53可以例如是电位计或小键盘。流量计62可以 可选地由室温控制器54使用，以提供用于指示目的的流量信息，以用于可 选流量控制而非由常规温度控制、或通过利用入口温度传感器70和出口温 度传感器71以确定横跨水盘管64或负载的温度变化而用于能量计算。

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63从完全闭合手动设置为完全打开， 以保持由房间设定点装置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64来控制房间51的气温，以在水盘管64 的温度与房间51的温度之间提供必要的温差，从而朝向房间设定点装置53 的期望的室温设定点来驱动房间51的温度。水盘管64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69和室外空气通风风门68用于向房间提供新鲜空 气。由室外空气通风风门控制器66控制新鲜空气的量，室外空气通风风门 控制器对室外空气通风风门致动器67进行机械设置。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64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。

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64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℉(0℃)以下的时间段内被暴露在低温下。在室 外气温非常低时，室温也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℉(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64中的水发生冻结的风 险很大，这是因为阀门63可能由于房间51不需要加热而闭合，以使水盘 管64，82中的水不流动，因而出现可能的冻结状况。

针对图1中所示的常规HVAC系统110，冻结状态计(freezestat)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63保护水盘管 64和管道系统不被冻结，尽管较低量的流量将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67提供功率，致动器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闭合室外空气通风风门68。

用于实现闭环中的HVAC盘管64中的冻结保护的替代方法是添加防冻 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 度有影响，并且影响热传递。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。

在商业和工业系统中使用的图1的其它实施例中，某些部件可不必具 有或可具有替代性功能性以用于应用。用于过程冷却或加热的系统可能不 需要由室外空气通风控制器66、室外空气通风风门致动器67、室外空气通 风风门68、和室外空气通风入口69提供的室外空气吸入功能性。弹簧复位 阀门致动器56可以是没有弹簧复位功能的设计以允许在没有流体冻结条件 的可能性的情况下弹簧复位阀门致动器在损失用于施加的动力时保持就 位。

下文将描述的图5A-10的示意图示出了相对于现有技术的各种改进。 根据图5A和5B的示意图中所示出的本发明的一方面，阀门和致动器组件 37在一个集成组件中包括阀门18、致动器14、室温控制器8、辅助流体温 度传感器2、流体温度传感器22、阀门流率传感器19、流体压力和流量计 算模块25、以及能耗计算和保留模块24，该集成组件安装得更快，因为只 需对一个装置进行安装和布线，而不像图1的系统110那样需要对多个单 独的装置进行安装和布线。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示出了具有阀门和致动器组件37的本发明，其 具有全部需要单独安装和互连布线的几个传统装置的全部功能。阀门和致 动器组件37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能量高效的冻结保护。

在一个本发明的实施例中，通信网络遵循分层互连网络模型构成。分 层互连网络模型包括抽象协议独立的七层开放系统互连(OSI)概念模型 (ISO/IEC7498-1)，且后来制定更新的协议相关的四层TCP/IP概念模型有 时指代因特网模型、或不那么频繁地指代国防部(DOD)模型，以将处理 活动打破成层级系列的网络服务及其用于通过两个或更多个网络实体之间 的传输媒介来传递数据的相应独立定义的任务、活动、和分量。两种模型 都基于无关协议栈的概念。OSI模型由国际组织构思且采用，以用于标准化 (ISO)和国际电信同盟-电信标准化局(ITU-T)。TCP/IP模型(RFC1122) 初始地具有四层，且后来由他人提议通过将初始最低层(即，网络访问层) 扩展成数据链路层和最低物理层而包含五层。所述模型描述了通用的一组 用于网络通信的特定协议的指南和过程，包括端到端连接性、寻址、传输、 格式化、路由选择、和数据的接收。与TCP/IP的更松散定义的层定义相反， OSI模型定义严格的分层。

通信协议建立用于语法、语义学、和格式和同步化的程序上的二进制 规则，以用于通过计算机网络或BMS通信。协议可在软件或硬件或两者中 采用，且定义用于数据结构、验证、误差检测、和程序的方法，以用于处 理丢失或损坏数据包，从而实现计算和控制实体之间的数据传递。层不定 义具体单一协议。实际上，层定义可以由多个协议实施的数据通信功能， 以使每层可包含数个协议，每个协议提供相关于那层功能和网络架构的服 务。局域网(LAN)是一批通过共用媒介通信的地理包含实体。广域网(WAN) 是一批以各种方式连接的地理分开的LAN，以结合多种服务。

层呈现为操纵数据如何被制备用于传输的栈。层(N)是一批概念类似 的功能，其从下一较低层(N–1)请求服务且向下一较高层(N+1)提供 服务，以用于与其它实体的对应层通信。在给定层上的请求和提供实例由 在那个具体层上水平协议连接。当从较高层协议开始时，数据接口或服务 数据单元(SDU)的特定单元对于对等服务用户语义不变地向下传递到下 一层(N–1)。最高OSI模型层，即，应用层(7)知道SDU中的数据结构， 但较低层不知道前级嵌套交换且将数据作为有效负载对待。除了物理层(1) 之外，较低层(N-1)向SDU由前附加(prepend)也已知为协议控制信息 (PCI)的头信息和/或可选地由尾附加(append)也已知为PCI的尾信息， 因此在封装过程期间将所述SDU转换成用于那个(N–1)层的对应协议数 据单元(PDU)类型。PCI通常包括目的地和源地址、在当前层(N)中使 用的协议类型、流量控制选项、和用于保留数据顺序的序号。可选PCI包 含通常是循环冗赘核对(CRC)的校验和，以验证数据未被损坏。PDU类 型被定义用于每层，且PDU可以嵌在其它PDU中。

数据包括原始层的数据以及所有过渡层封装的PCI，因为每层(N)将 来自下一最高(N+1)层的数据作为不透明的无法说明信息处理。向在层之 间向上传递的数据在被进一步向上传递之前未被封装。OSI模型中的具体层 (N)可以与在具体层正上方的层(N+1)、在具体层正下方的层(N–1)、 和事实上具体层的在其它网络实体中的对等层级通信。仅在最低物理层(1) 上存在用于交换信号的物理连接。不同网络实体采用各种子集的协议栈。 中继器和多端口中继器(集线器(hub))使用物理层(1)，桥和多端口桥 (开关)使用物理层(1)和数据链路层(2)，且路由器使用物理层(1)、 数据链路层(2)、和网络层(3)。物理层(1)、数据链路层(2)、和网络 层(3)提供网络实体之间的一致通信。传送层(4)、会话层(5)、表示层 (6)、和应用层(7)处理数据源和目的地之间的端到端通信。

OSI模型物理层(1)本质上基本是硬件且定义物理和电子设备说明书， 包括设备和网络物理通信媒介之间通过物理媒介传输原始数据点流的关 系。物理层是特定硬件的且处理设备和网络媒介之间的特定物理连接，包 括拓扑、数据率、最大传输距离、点同步化、以及终端。物理层(1)实施 方案可以是局域网(LAN)或广域网(WAN)的，且可以是共轴线缆、光 学纤维、无线、双绞、或其它传输媒介。物理层(1)的较低边界是附连到 传输媒介的物理连接器，且因此传输媒介自身在物理层(1)范围的外侧， 且有时称为层(0)。电气与电子工程师协会(IEEE)802.3(以太网)、802.4 (令牌总线)、802.5(局域网，令牌环)、802.11(无线以太网)、以及其它 标准应用到这层。

ISO模型数据链路层(2)是协议层，协议层提供功能和程序手段，以 通过借助于将来自物理层(1)的原数据拓扑包装成数据的框架或逻辑结构 数据包的即时物理网络而在网络实体之间传递数据。IEEE将数据链路层(2) 分成逻辑链路控制(LLC)和媒介访问控制(MAC)子层。LLC与网络(3) 层接口，且通过建立一系列称为服务访问点(SAP)的接口点维持框架同步 化的控制、流量控制、以及两个实体之间的误差检查。IEEE802.2定义LLC 协议，LLC协议可提供确认和非确认的面向无连接和连接的服务。MAC 与物理层(1)接口，且用于由控制数据包通过共用媒介通道从一个网络接 口卡(NIC)传输到另一网络接口卡而协调实体之间的数据传送。实体NIC 卡中的MAC地址构成用于确定网络数据交通的源和目的地的低级地址。 IEEE802.2(LAN逻辑链路控制)、8886(数据链路服务)、以及其它标准 应用到这层。

ISO模型网络层(3)控制网络通信，包括逻辑寻址和路由选择。ISO 模型网络层建立利用网络层实体地址在网络或可能不同网络中的系统之间 传递可变长度数据包的过程，以维持追踪目的地和源。网络层(3)处理包 括全局逻辑的结构和使用，全局逻辑横跨作为整体的网络从源到目的地地 寻址且从一实体路由选择到多于一个链路的另一实体，同时维持由传送层 (4)请求的服务质量。寻址与数据链路层(2)的MAC寻址不同，且经 常采用因特网协议(IP)以定义网络地址，以使路由选择可以通过使用目的 地网络地址、源网络地址、和子网掩码的比较被系统地确定。每次链路变 化，网络层由路由器重新打包。IP利用统一IP寻址和传播路由跨越来管理 数据包从源实体到目的地实体的无连接传递。ISO模型网络层不负责可靠传 递，但将检测到毁坏数据包，以使得毁坏数据包可以被丢弃。

ISO模型传送层(4)不直接传送数据，但负责数据的可靠传递。ISO 模型传送层接收来自会话层的数据，且通过以在传输之前及之后拆分和组 装数据的方式在源和目的地过程之间传递数据而将用于通过网络传送的数 据分解。传送层(4)定义范围从传送协议类0(TP0)到传送协议类4(TP4) 的五类连接模式传送协议，且通过流动控制、分解/重组、向较低层发送的 数据的复用、从较低层接收的数据的解复用、以及误差控制维持给定连接 的可靠性。发送实体将数据打破成较小数据包，以使如果任何数据包通过 由缺失来自目的地实体的确认而确定的在传输中丢失，则丢失数据包可以 被再次发送。两个在传送层(4)最常使用的协议是传输控制协议(TCP) 和用户数据报协议(UDP)。TCP是面向连接协议，其将数据作为非结构化 字节流发送，且确保端到端通信路径通过对于接收的每个数据包发回确认 且将接收的无顺序的任何数据包放回到正确顺序而起作用。UDP是无连接 的且因此在没有端点之间的交易(transaction)的持久状态和端到端通信路 径确认的情况下具有较小系统开销(overhead)，但在尽力而为的情况下也 是不可靠的连接，因为不采用测量以确保数据被目标实体接收。传送层(4) PDU是用于TCP的节段或用于UDP的数据报。

ISO模型会话层(5)协调在端实体之间通信的多表示层(6)处理。ISO 模型会话层通过建立、管理、以及终止本地和远程应用之间的连接会话而 允许用户在不同实体之间设立多传送层(4)会话，本地和远程应用包括控 制和管理多个同时(全双工)和非同时(半双工)双向或单向(单一)消 息，以使得所述应用在所有这一系列消息都没完成的情况下被报告。这层 负责在接受新的请求之前顺序关闭会话，这是TCP以及会话恢复的特点。 这层通常在使用程序呼叫的应用环境中采用。在实践中，实体频繁将会话 层(5)与传送层(4)结合。

ISO模型表示层(6)有时称为语法层。ISO模型表示层定义网络主机 用于通信的语法和语义学，且通过由应用层(7)定义和加密的数据类型提 供数据表示。当诸如标准文本、图像、声音、和视频的数据表示格式从发 送器传输到接收器时，表示层将数据翻译为可以由两种设备读取的一般格 式。表示层(6)应用示例包括图像变换、数据压缩、特征密码翻译、脚本 撰写、数据加密、以及数据变换。

ISO模型应用层(7)具有直接用户界面，且提供必须的服务，所述服 务支持网络应用且保持追踪每个设备如何与具有链接到特定应用的目的地 和源地址的其它应用接口。在这层的通用功能包括打开、关闭、读写文件、 执行远程工作、以及获得与网络资源相关的目录信息。应用层(7)应用示 例包括用于远程文件访问、目录服务、资源分享、安排消息、邮件传递、 以及网络管理的协议。

图2是并置的七层OSI模型和四层TCP/IP模型。OSI是法律模型且 TCP/IP是实际模型。与TCP/IP模型规定为留给实施方案更大的自由度相反， OSI模型是规定为每层(N)必须走过在其下方的所有(N–1)层。如由论 据解释的，TCP/IP模型的应用层等同于OSI模型会话层(5)、表示层(6)、 和应用层(7)，所述论据是OSI模型表示层(6)和OSI模型会话层(5) 的一部分的过程和协议不存在为分开的因特网应用。TCP/IP不具有会话层， 因为TCP是面向连接协议，其在传递IP数据包之前首先建立会话。TCP/IP 模型传送层等同于OSI模型传送层(4)加上OSI模型会话层(5)的一小 部分，但是利用UDP的TCP/IP模型传送层不会一直保证与OSI模型传送 层(4)一样可靠的数据包传递。TCP/IP模型特网或网络层对应于OSI模型 网络层(3)。TCP/IP模型链路层包括一组以太网协议的功能和处理，TCP/IP 模型链路层等同于OSI模型数据链路层(2)和物理层(1)。

由美国采暖、制冷和空调工程师(ASHRAE)BACnet开发、特别用于 建筑物自动化目的的建筑物自动和控制网络(BACnet)ASHRAE/ANSI标 准1351995，ISO16484-52003结合以利用应用层(7)、网络层(3)、数据 链路层(2)、和物理层(1)的OSI模型的坍塌版本为基础的分层协议架构。 BACnet是无连接协议，其依赖用于在IP网络上的消息传递的UDP且因此 无需传送层，因为BACnet不具有对于消息分解和端到端误差检测的请求。 BACnet应用层提供通常由传送层(4)、会话层(5)、和表示层(6)实施 的功能，传送层、会话层、和表示层不被需要，因为BACnet使用固定的编 码程序且使用用于安全的应用层。

LonTalk、ANSI标准ANSI/CEA-709.1-B、欧洲建筑物自动化标准 EN14908-1由Echelon开发作为LonWorks产品套装的一部分，以建立用于 自动系统的完整架构，所述自动系统与用于建筑物、工厂、和仪器应用的 分布的传感器、控制、和致动器网络一起使用。LonTalk覆盖所有七层OSI， 且基于包括智能群、子网络、以及域指向路由器和网关在内的LAN架构。

有时称为EIBInstabus(CENELEC(欧洲电子技术标准化委员会)EN 50090，ISO/IEC14543-3)的Konnexbus或Konnex(KNX)是基于用于智 能建筑物的网络协议的标准OSI层，且是对于欧洲安装总线(EIB)、欧洲 家庭安装总线(EHS)、和BatiBus(建筑物总线)的集合和继承者。KNX 基于EIB通信栈以及EHS和Batibus物理层、配置模式、以及应用。KNX 支持三种配置机构。自动模式(A)用于低级网络，容易模式(E)没有先 进工具要求，且系统模式(S)需要用于网络设立的配置工具。

Modbus是由现在是施耐德电气的Modicon在1979年开发的工业控制 协议。第一Modbus实施方案用于串行数据通信，诸如RS485和RS232， 现在已知为ModbusRTU。后来对于Modbus协议的添加包括TCP和美国国 家信息交换标准代码(ASCII)。Modbus现在用于包括HVAC的其它应用。 Modbus定义由独立于标准层PDU的功能代码和数据区构成的简单PDU。 头信息和尾信息被添加到PDU，以添加寻址和误差检查，从而将PDU转换 成Modbus应用数据单元(ADU)。

M-Bus是欧洲标准，覆盖热量、水、气体、以及耗电和能量计、以及 各种类型的阀门和致动器。M-Bus由包括用于有线和无线M-Bus设备的说 明书在内的欧洲标准(EN13757)定义。M-Bus数据包当前仅包括源或目 的地计量设备且因此不适于直接端到端路由选择。M-Bus系统指定物理层 (1)、数据链路层(2)、和应用层(7)、加上用于可选延长寻址的网络层 (3)。

无线保真(Wi-Fi)基于IEEE802.11系列的说明书且由无线局域网Wi-Fi 联盟(WLAN)许可。Wi-Fi网络包含一个或多个访问点(AP)，每个访问 点具有有效通信范围或用于网络或点到点连接性的热点。

ZigBee是一族以用于无线电频率应用的IEEE802.15.4标准为基础的无 线代码高效通信协议。IEEE802.15.4个人局域网(PAN)通过提供定期出 现检测标、保证时槽(GTS)、以及消息确认而指定载波监听多路访问/冲突 避免(CSMA/CA)通道访问活动检测。ZigBee定义全功能设备(FFD)和 简化功能设备(RFD)，全功能设备具有良好访问动力提供路由器或协调器 支持能力，且简化功能设备(RFD)由本地供电且因此仅能够具有端设备 功能性。ZigBee对象借助于它们唯一MAC地址由直接或协调绑定逻辑连 接。ZigBee协议通常在具有低数据率、安全网络、和低耗电的嵌入应用中 使用。

EnOceanGmbH是在2001年创立的德国企业出资的科技无线产品供应 商。EnOcean无线协议ISO/IEC14543-3-10被设计用于超低耗电，包括动力 学电动、差作用热电、和太阳能获取。EnOcean以TCP/IP、Wi-Fi、KNX、 BACnet、和LON通信。

涉及液体经由流体控制系统供应以监测和追踪能量使用的过程的通信 商业和工业系统包含合适的网络架构，以回报、响应、且记录和归档流量 和能量数据。在某些网络实施例中，网络将由分布式处理网络构成，分布 式处理网络由WAN、本地监察LAN、初级控制器LAN、和次级控制器LAN 构成。具有中央数据服务器的、连接多设备的基于因特网的WAN能够经由 标准万维网浏览器访问。本地监察LAN是将初级控制LAN和操作员工作 站(OWS)连接到建筑物控制器(BC)的基于以太网的系统。初级控制器 LAN是用于将BC连接到特定应用控制器(ASC)、自由可编程控制器 (FPC)、和现场设备(FD)的高速度以太网LAN，现场设备包括传感器和 致动器。次级控制器LAN是较低速度的LAN，且可替代性地用于利用诸如 EIA-485和无线媒介的串行两导体媒介将BC连接到ASC、FPC、和FD， 以用于价格敏感且速度无关的安装。控制阀门和致动器组件存在于在OSI 概念模型应用层(7)、网络层(3)、数据链路层(2)、和物理层(1)上。 网络层(3)被需要以用于利用初级控制器LAN的应用但不用于利用次级 控制器LAN的应用。本发明的实施例将依据具体工程的网络要求提供不同 协议。图3示出具有OSI模型层、协议、和媒介使用的示例性系统的图表。

在某些实施例中，阀门和致动器组件起作用为在初级控制器LAN或次 级控制器LAN上的FD，以从外部控制器接受阀门构件定位命令，从而控 制流体流量且可选地回报阀门的流体流量和流体能耗。在其它实施例中， 阀门和致动器组件起作用为在初级控制器LAN或次级控制器LAN上的 ASC，以直接感测受控温度或湿度介质且定位阀门构件，以更改流体流量， 从而维持受控温度或湿度且可选地回报阀门的流体流量和流体能耗。

控制阀门通过使其闭合件在其阀体中移动以在移动的一端阻挡流体流 动且在移动的另一端开放所述流动而节流流体的流动。闭合件可称为用于 自致动压力无关线性移动阀门的塞、压力有关线性移动阀门、或球心阀、 用于蝶形阀的盘、用于球阀的球、或专门针对阀门类型的其它术语。阀门 闭合件与阀门座接触以阻挡水流。随着阀门闭合件打开，被完全阻挡的阀 门座开始朝向其最大面积打开。阀门座通常是圆的，且当完全打开时其流 量容量可以数学地表达为：

Q＝V2.44799377Vsd²

Q＝流量，单位是美制加仑每分钟

V＝流体流速，单位是英尺每秒

Vsd＝阀门座直径，单位是英寸

在国际单位制中，具有全圆阀门闭合件的阀门座的流量容量可以数学 地表达为：

Q＝V.0785398Vsd²

Q＝流量，单位是公升每秒

V＝流体流速，单位是米每分钟

Vsd＝阀门座直径，单位是厘米

阀门闭合件可具有各种对称或非对称形状且连接到杆和密封件，杆和 密封件退出阀体以允许位于阀门外侧的致动器定位阀门杆和闭合件。密封 件设计成与阀体杆和阀体杆出口紧密接触，以使密封件防止流体在阀门以 其额定静压和压差级别(ratings)操作的同时漏出阀门。诸如球心阀和闸门 阀的一些控制阀门需要线性杆移动以完全打开到闭合流体流动，且诸如球 形阀、蝶形阀、和靴形阀的其它类型需要旋转移动以完全打开和闭合流体 流动。

主要根据通过盘管后的压力下降、阀门流量系数因子和关闭级别 (close-offrating)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，Cv被限定为在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℉(15.6℃)的水。在阀 门完全打开时获得阀门的额定Cv，并且在阀门闭合件处于其它位置时额定 Cv将发生变化。在具体阀门闭合件位置上，压力有关阀门的流率基于阀门 两端的压差而改变(压差随泵特性曲线和系统中的其它阀门的相互作用而 发生变化)。

Cv以纯水作为介质时可以被数学表示为：

$Cv=\frac{GPM}{\sqrt{\Delta P}}$

Cv可以在其它流体作为介质的情况下数学地表达为：

Cv＝流量系数

GPM＝在60℉(15.6℃)下每分钟的美制加仑

ΔP＝PSI中的压差

比重＝流体的比重

在国际单位制中，Cv被表示为Kvs，其被限定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)，并且在以纯水作为介质的情况下可以被数学表示为：

$Kvs=\frac{m3/h}{\sqrt{\Delta P}}$

在国际单位制中，Kvs可以在其它流体作为介质的情况下数学地表达 为：

Kvs＝流量系数

m3/h＝15.6℃下的立方米/小时

ΔP＝压差，单位是Bar(1Bar＝100kPa)

比重＝流体的比重

液体的比重是在39℉(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的比重的液体将在水中下沉，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。

在水流经阀门时，其在阀门的产生压降的限制流动路径中加速。水在 被称为流颈(venacontracta)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。随着水流出阀门，一些压力损失随着液体的减速而 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 降到水的蒸汽压力以下，则其将开始汽化。被称为气蚀的该状况将产生比 上文Cv和Kv公式中所计算的低的流率，因为当在流颈中形成气蚀水泡时， 汽泡将越来越限制水的流动，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。

在发生气蚀时，阀门中的水快速转化为蒸汽，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、以及在阀门中产生可检测的噪声。受到气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闭合件和阀门座。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 时将发生气蚀。在蒸汽压力低于流颈压力时，将存在满水流量而没有气蚀。

在不发生气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 水的温度，因为水的蒸汽压力随水温变化。在水处于密闭狭窄容器中时， 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 与凉水相比，利用较热的水可以在较低的压差下发生气蚀状况，如图11所 示。例如，对于具有45psi(310kPa)入口压力和50℉(10℃)水温的 阀门，不发生气蚀的最大容许压差是31psi(214kPa)。对于相同的45psi (310kPa)入口压力和220℉(104℃)水温，不发生气蚀的最大容许压 差下降到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，并且其沸点处于水的沸点以上。在 68℉(20℃)，水的蒸汽压力是丙二醇的蒸汽压力的100倍。含有乙二醇 或丙二醇和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体积浓度而 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 不同而具有不同的气蚀点。

间接接触换热器借助于通过不可渗透隔离壁的传热提供从一流体到另 一流体的热能传递，而无需将两种流体混合在一起或使两种流体取得直接 接触。除了在单一热相中降温或加热流体之外，换热器可以用于在等温过 程的恒定温度下的第二相，以生成引起液体汽化的沸腾或引起气体冷凝的 冷凝。由温差和随后流体膨胀引起的流体密度变化生成用于天然或自由对 流传热的浮力，且外部泵引发通过换热器和管路系统的被驱动对流传热。 在换热器内，任何静止流体和换热器传导壁表面边界之间的直接物理接触 将提供来自动力学能量的传导传热，因为急速移动原子和分子与邻近原子 和分子相互作用，以将它们热量中的一些在两个介质之间传递。

商业和工业换热器系统被设计为借助于节能措施(ECM)利用最少量 的能量控制所需温度和湿度负载。用于系统安装的测量和验证(M&V)是 以下过程：以与在系统设计期间计算的系统理论能量使用直接数据比较的 方式记录实际能量使用，以验证能量高效设计的成本规避。用于改造更新 现存系统的M&V是以下过程：以与在更新之前的系统初始能量使用的直接 数据比较的方式记录更新系统的实际能量使用，以验证能量高效设计的成 本规避。系统安装和改造更新M&V过程包括对于过程控制参数中的任何变 化以及对于外部因子的已知变化的调整，外部因子包括在12个月的最小比 较持续时间中的天气、负载、和安排变化。

M&V过程必须将由ECM控制的过程与合适的计量隔离，且利用依据 良好实践的M&V协议的逻辑评估，诸如，国际性能测量和验证协议 (IPMVP)，联邦能源管理计划(FEMP)，美国采暖、制冷、和空调工程师 (ASHRAE)指南14：能量和需求节省的测量，或澳大利亚能量性能订约 协会(AEPCA)最佳实践指南。IPMVP和FEMP协议由美国能源部分(DOE) 制定，以通过聚焦于联邦能量工程的FEMP协议描述确定能量高效工程的 水和能量节省的不同方法。ASHRAE指南14提供在来自住宅、工业、和商 业建筑物能量管理工程的能量节省的测量中最小可接受的性能等级。 AEPCA最佳实践指南基于主要聚焦于能量节省性能条约的IPMVP、FEMP、 和ASHRAE指南14的组合。

由横跨换热器的热传送流体吸收或放弃的热量的连续流体能量监测可 以通过由分立的流量计、温度传感器、和能量计算模块构成的量热计实现、 或通过提供分立部件总体的结合功能性的组合式工厂组装型组件实现。这 些能量监测部件是专用部件且流体系统也需要单独的自动控制阀门。全球 量热计标准包括建立用于EU的27个国家的一般指南的测量器具指令 (MID)欧盟(EU)EN1434、与EN1434一致的国际法制计量组织{French： OrganisationInternationaledeMétrologieLégale}(OIML)国际建议R75、以 及基于EN1434的具有偏差的加拿大标准协会(CSA)C900一般量热计要 求。

自动控制流体阀门被用于通过使流体循环到液体到液体换热器、液体 到气体换热器、气体到气体换热器或气体到液体换热器而控制温度和湿度 负载。一般流体包括水、水和二醇溶液、蒸汽、和制冷剂。用于增加或减 少可感知流体温度的能量可以被经验地计算且以能量单位表达。英国热量 单元(BTU)是用于能量测量的传统单元，100,000BTU等同于1克卡且 12,000BTU/h等同于1吨，且等同于在39.1℉的温度和一个大气或14.696 psi的压力下将1磅的纯水加热或冷却1℉所需能量的量。通过单相液体介 质换热器传递的可感知热能的量可以表达为：

BTU/h＝FuFwFsh(|To-Ti|)60

BTU/h＝BTU每小时

Fu＝流体体积，单位是美制加仑每分钟

Fw＝流体重量，单位是磅每美制加仑

Fsh＝流体比热，BTU/lb.℉

To＝退出负载的温度，℉

Ti＝进入负载的温度，℉

在国际单位制中，焦耳(Joule)是在一个大气或101.325kPa的压力下 将.454千克的纯水加热或冷却.56℃所需的能量的量。每焦耳等于作用在1 米上的1牛顿的力、.239005736热化学卡路里(calorie)、.0009478673BTU、 1瓦特-秒、或.00027777瓦特-小时。通过单相液体介质换热器传递的可感 知热能的量在国际单位制中可以表达为：

Kw＝FuFwFsh(|To-Ti|)60

Kw＝千瓦每小时

Fu＝流体体积，单位是立方米每分钟

Fw＝流体重量，单位是千克每立方米

Fsh＝流体比热，Joule/g℃

To＝退出负载的温度，℃

Ti＝进入负载的温度，℃

物质比热是物质的吸热性或放热性热能的量，所述物质的吸热性或放 热性热能的量必须被传递到一定量的物质质量或从所述一定量的物质质量 传递以将物质的单热相温度改变限定的量。当冷和热物质取得接触，热量 自发地在物质之间经过，直到物质达到热平衡。更加不热敏感的物质具有 较高比热值，因为对于用于具体热变化的给定物质的质量，相对于具有较 低比热值的邻近物质，更多的能量需要被传递到更加不热敏感的物质。纯 水比热比大多数其它一般物质更高，且由1Btu/lb.℉表达。虽然能量的热化 学卡路里单位随着初始温度和大气压力变化，米制系统中的纯水的比热可 以表达为1calorie/g℃或°K，或在国际单位制中可以表达为4.184joules/g℃ 或°K。乙二醇和丙二醇混合物具有低于水的比热值且因此具有减小的加热 容量。不改变动力学能量的第二相热变量包括在物质的沸点下汽化物质所 需的汽化热量和在物质的熔点下熔化物质所需的熔化热量。

HVAC控制阀门的尺寸通常可用于连接到1/2”、3/4”、1”、1-1/4”、1-1/2”、 2”、2-1/2”、3”、4”、5”、6”、8”10”、12”、14”、16”、18”和20”内径 管路尺寸和米制等同直径尺寸。较小尺寸的阀门可用于多种不同流量系数， 所述阀门通过将不同阀门塞和杆组装到也可以是不同直径阀座端口的相同 尺寸阀体中而被制造。不同阀门尺寸和在相同尺寸阀门中可用的不同流量 系数将在其全杆行程距离及其杆的最小和最大行程点方面具有一些改变。 这些阀门尺寸和流量系数的改变将对无自动移位(autospan)的致动器定位 以及当位置反馈信号由致动器提供时的位置反馈信号引起一些结果误差。 阀门致动器组件可以由制造商按顺序预先组装、或可以作为单独的阀体和 致动器和联动装置被购买且由安装工组装。组装需要机械连接、紧固件的 张紧、以及有时联接件和弹簧预加载件的调整。不同安装工将使用不同工 具以及将具有不同强度等级，且因此将以可能影响阀门行程的一些尺寸差 安装这些单元。

不同致动器科技和设计利用用于提供阀门杆和阀门闭合件用位置反馈 信号的不同技术。一般方法包括如下：

1.线性或旋转电位计提供可以由分开的分立控制器或监测设备直接使 用的绝对位置。控制器或监测设备必须具有查找换算表格，以将阻力转换 成对应致动器位置。

2.线性或旋转电位计提供绝对位置，所述绝对位置由致动器电路使用 以将阻力转换成通常是2Vdc至10Vdc或4mA至20mA的另一信号，或 如果致动器具有通信能力则将阻力转换成通常0至100％的经验数字值。

3.由磁性传感器或光学传感器、或由嵌在致动器的电动机中的传感器 计数脉冲，且将所述计数与致动器从其极度端到端的位置完全行进消耗的 脉冲数量相比较。通过这种方法，在初始启动时，致动器必须首先通过走 到已知位置而识别其当前位置。致动器通常通过下述执行这个功能：如果 致动器具有机械或磁性离合器，则通过获知致动器的完整行程时间而后行 进至少那段时间来确保致动器位于行程的一端从而行进到致动器行程的所 述一端，或如果致动器具有电子停止电路，则致动器将朝向其行程的所述 一端行进，直到致动器电感测到且已经撞击到行程的所述一端。致动器然 后将移位到其另一端且永久地存储检测到的传感器脉冲的数量。致动器然 后将响应于其输入信号且计数在其当前位置的脉冲数量，而后通过将在致 动器当前位置的脉冲数量与在致动器全行程的计数的总数相比较而将致动 器当前位置的脉冲数量转换成位置百分比。由于所述数量，如果用于全行 程的传感器脉冲保持性地存储在非易失性存储器中，则在附加动力启动时， 致动器可仅行进到一端而非走过其完整初始动力启动的端到端初始化路 线。

4.数字编码器感测旋转位置且将所述旋转位置转换成二进制输出，通 过获知在致动器一端处的最大编码器输出和通常以二进制零值设置的在另 一端处的最小编码器输出，二进制输出被读取且转换成位置百分比。

以上方法2、3、或4可以包括阀门自动移位过程，由此来自致动器的 位置反馈信号可以关联于通常与致动器全行程对应的具体致动器行程距 离，或致动器可以在安装到阀门上且已经确定阀门杆的准确行程以及按比 例调整输入信号及其位置输出信号之后自动移位(span)自身，从而追踪阀 门闭合件的移动范围。这种自动移位可在阀门首次启动时被开启且被放在 阀门上、或借助于人工命令通过存储在非易失性存储器中的自动移位参数 被开启。来自自动移位致动器的可用位置反馈信号通常是直流电压或电流、 或通信到BMS的经验数字值，但无限制性。

阀门致动器组件频繁提供诸如2Vdc至10Vdc或4mA至20mA的直 流电压或电流信号，直流电压或电流信号被有线传递到单独的控制器模拟 输入，以向BMS提供阀门位置的显示、报告、警告、以及能量趋势。提供 位置反馈信号的最常用的现有技术方法是从致动器获取信号，假设所述信 号代表阀门位置且不由致动器和联动装置滞后影响，并且假设阀门位置准 确地跟随致动器的全部端到端移动。这两个假设是不可能的，且尤其第二 个要求可能引入在行程的一端或两端处的大误差和在中间行程阀门塞位置 的结果误差。具有通信能力的阀门致动器组件通常处理相同致动器的位置 值，且也可包括由致动器和联动装置滞后已经零致动器移动引起的误差， 因为阀门杆移动可能并非一直跟随致动器位置。

通常基于压力无关阀门要控制的盘管的最大设计流率来选择压力无关 阀门。压力无关阀门利用特定控制输入信号来提供恒定流量，而不考虑压 差。通常，这通过使用具有内部机械流量控制机构的自致动压力无关阀门、 或者通过电子测量或计算流量并自动调整阀门闭合件以保持恒定流量来实 现。压力无关阀门在限定的压差范围内提供该恒定流量。如果阀门的控制 信号命令其处于完全打开位置、或如果因为流动随着阀门的流动孔增加或 阀门入口压力增加而增加所以横跨阀门的压差增加，则压力无关阀门也具 有限制流量的最大流率。

具有各种设计的内部机械流量机构的压力无关阀门具有不同内部流动 孔几何结构，内部流动孔几何结构具有与阀门杆位置和流经阀门的流体流 量之间的关系相关的特定设计。在给定阀门杆位置，在阀门设计的最小和 最大操作压差的约束内不论横跨阀门的压降，流经阀门的流体流量是一致 的。因此，阀门将具有可以通过查找表格或多项式记载的杆位置和流体流 量之间的可重复关系。图4示出机械的压力无关阀门杆位置和机械附连阀 门闭合件与流经阀门的流体流量之间的关系。不同阀门设计和相同阀门设 计的不同尺寸将具有不同杆流体流量关系。

在具体实施例中，阀门和致动器系统包括具有内部机械流量控制机构 的压力无关阀门，内部机械流量控制机构提供流经阀门的流体流量的符合 成本效益指示。在另一实施例中，阀门和致动器系统提供流经阀门的流体 流量的符合成本效益指示且计算由阀门受控盘管或负载消耗的能量。

参照图5A和5B，且在本发明的具体实施例中，阀门和致动器组件37 在一个集成组件中包括阀门18、阀门致动器14、室温控制器8、流体温度 传感器22、流率传感器19、入口和出口压力传感器20、21、阀门闭合件位 置传感器23、和冻结检测控制器27。在更具体的实施例中，阀门和致动器 组件37可以被用户利用压力有关阀体配置为用于压力有关或压力无关阀门 控制。在本发明的某些实施例中，阀门和致动器组件37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。

在具体实施例中，例如，图5A示出了通过在PI-PD模式跳线上选择所 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37从室温传感器1和房间设定点装置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 打开还是闭合线性阀门闭合件移动阀门18。通过从PI-PD模式选择装置15 接收其信号的线性阀门杆移动致动器14来机械设置线性阀门闭合件移动阀 门18。线性阀门闭合件移动阀门18具有可以沿着设置在其入口通路与出口 通路之间的阀门端口的纵向流动轴移动的阀门闭合件。线性阀门闭合件移 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阀门闭合件， 该外部阀门闭合件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阀门闭合件移动阀门 18的外壁的限制，或者对于压力无关操作，该位置受到阀门和致动器组件 37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模式选择装置15根据PI-PD模式跳线的位置而 利用压力有关或压力无关控制算法。在由PI-PD模式跳线16将阀门和致动 器组件37设置用于压力有关阀门操作时，PI-PD模式选择装置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37的示意图。阀门和致动器组件37包括具有阀门闭合件100的阀门 18，阀门闭合件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还具有流体温度传感器22和阀门闭合件位置传感器23。

阀门闭合件100的位置受到阀门致动器14的控制，阀门致动器14使 用经由联动组件45联接到阀门闭合件100的马达和齿轮系44来设置阀门 闭合件100。阀门致动器14还包括电路板47，在具体实施例中，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是示出阀门闭合件100的操作的各种模式的示意性表示。具体 地，图8示出了线性阀门闭合件移动阀门的闭合件100的最小流量或闭合 位置。这示出了在相对于阀门座101完全闭合时的阀门闭合件100的位置。 在该位置上，可能除了非常少量的泄漏之外，没有流量流过阀门闭合件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， 线性阀门闭合件移动阀门的阀门闭合件100的最小流量或闭合位置是相关 的。

在PI-PD模式跳线16被设置用于压力有关阀门操作时，阀门闭合件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压差 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，阀门闭合 件100的最大流量位置将如图10所示进行变化，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与房间设定点装置2之间的温度差。在压力无关模式中保持最大流量， 因为必须限制流率以使水或水二醇混合物能够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，HVAC控制阀门可以具有线性运动阀门闭合件行程， 例如具有球心阀或闸门阀，或者HVAC控制阀门可以具有角度旋转阀门闭 合件行程，例如具有球阀、蝶形阀或靴形阀。本发明的实施例可以包括但 不限于前述阀门类型中的任一种，包括线性阀门闭合件移动阀门18。

在图5A和5B的实施例中，阀门和致动器组件37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、阀门闭合件位置 传感器23、抗气蚀控制模块26以及能耗计算和保留模块24。阀门和致动 器组件37适用于各种流率传感器19和各种压力感测技术。这些包括但不 限于：1)压差；2)正位移；3)速度；4)质量流量。

压差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，线路中的用于建立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压差。可用的压差传感器包括例如孔板传感 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特定的分立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。

相对应体积流量，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直接测量质量流率。

在本发明的某些实施例中，阀门和致动器组件37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，而在替代的实施例中，阀门和致动 器组件37被配置为在通信网络中进行操作，该通信网络允许阀门和致动器 组件37传送和接收信息，以使其操作与建筑物管理系统(BMS)以及建筑 物中的其它HVAC装备同步，以提供用于远程监测、警报和数据保留的诊 断和能量数据。

再次参照图5A和5B，远程通信控制输入信号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 些信号允许阀门和致动器组件37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。这些信号保持性 地存储在远程通信控制输入信号7中，以使阀门致动器组件37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，则保持性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阀门和致动器组件37的设定，但不要 求将其留给阀门和致动器组件37。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37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，以使阀门和致动器组 件37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37以使其与建筑物的独特的HVAC状况匹配，则 可选调整将允许用户定制阀门和致动器组件37的运转状态，以使其与建筑 物管理系统一起更好地工作。

如果可选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 的可选校准。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从提供流经阀门的流体的体积的流 体压力和流量计算模块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使得能够发生气蚀状况的抗气蚀控制模块 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6接收的、 源自室温传感器和设定点1值的室温的值与设定点的值进行比较，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阀门闭合件移动阀 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。

通过加热冷却模式信号3来判断打开和闭合阀门的适当方向。打开和 闭合阀门18的适当方向将根据阀门水源是正在提供热水还是正在提供冷水 来变化，提供热水要求阀门18打开以使房间变暖，提供冷水要求阀门18 闭合以使房间变暖。加热冷却模式信号3具有本地非易失性模式选择，在 阀门18总是利用热水或冷水进行操作的情况下，该模式选择可以被固定以 限定阀门18打开或闭合的方向，或者在水温从热变冷的情况下，可以通过 串行通信总线由BMS从远程位置推翻该模式选择。

区域气温控制器8对源自室温传感器和设定点1的室温的值与设定点 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 位置使用阀门闭合件位置传感器23的值和室温的值来验证阀门闭合件被适 当设置以保持被输入到室温传感器和设定点模块1中的设定值。阀门闭合 件位置传感器23的反馈值用于验证阀门闭合件位置处于其被命令的位置， 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阀门闭合件移动阀门 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 性阀门闭合件移动阀门18提供的热量相同，因而在室温传感器的值与房间 设定点装置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与房间设定点装置之间的 温度下降最小化，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阀门闭合件移动阀 门18来提供更多或更少的热量，以消除室温传感器的值与房间设定点装置 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，以例如在 所述系统上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。

在具体实施例中，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，并且然后将其流体压力与流量计算模块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64(图1所示)和相关联的管道系统发生冻结状况。流 体温度传感器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。

阀门流体温度传感器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阀门闭合件移动阀门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。

在阀门流体温度传感器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所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分钟或者更长的时间内上 升到高于冻结温度设定点至少10℉(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 计的在手动接触并复位手动复位冻结状态计之前都禁用正常控制的限制。

抗气蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器 21、阀门流体温度传感器22和阀门特定的气蚀系数来判断是否存在气蚀状 况或者预测是否会发生气蚀。由于水温影响气蚀区域，而气蚀区域也取决 于阀门的最大容许压差，因而抗气蚀控制模块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气蚀点。

阀门特定的气蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口与外 部出口的压差和内部入口与阀门中的最小压力的压差的比值。通常，阀门 特定的气蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀门中的气蚀通常 是从阀门闭合件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。在由抗气蚀控制模块26计算可能的气蚀状况时，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的压差下降，直到其脱离气蚀区域为止。

通过下述计算来判断阀门两端的为避免气蚀而不应超过的最大容许压 力下降：

ΔP＝VSCC(P1-Pv)

P＝初始气蚀的压力下降

VSCC＝阀门特定的气蚀系数

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气蚀控制模块26查找 表来计算Pv。

在某些实施例中，阀门闭合件位置传感器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29接收来自阀门闭合件位置传感器23和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。在其它实施例中，硬 布线位置输出信号28接收来自阀门闭合件位置传感器23以及水压力和流 量计算模块25的信号，且提供相对于杆位置的位置。在又其它实施例中， 硬布线位置输出信号28接收来自阀门闭合件位置传感器23以及水压力和 流量计算模块25的信号，且提供在体积单元中的真实阀门流量。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。在其它 实施例中，硬布线位置输出信号28将通过与依据诊断信息模块34的诊断 对应的具体电压指示警告。

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闭合件位置，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可能由于后坐、移动滞后或故 障而引入误差的机械联动装置。

对于压力有关和压力无关操作这两者而言，远程通信控制输出信号29 接收相关的阀门18和HVAC盘管系统的数据值，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所计算的流体流量信息、由辅助流体温度传感器2和阀门流 体温度传感器22提供的流体温度值、由能耗计算和保留模块24所计算的 能量信息、从致动器受力和行程状态模块17接收的诊断信息、来自抗气蚀 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。

当阀门由PI-PD模式跳线16配置作为压力无关阀门时，流率传感器技 术可以是压差、正移位、流速、或质量流量类型的，且将与辅助流体温度 传感器2和阀门流体温度传感器22一起使用以计算选择性单元中的能量。 当阀门由PI-PD跳线16配置作为压力有关阀门时，阀门自动移位过程用于 准确地确定阀门杆位置，阀门杆位置如图4所示的借助于查找表格或多项 式与流经阀门的流量具有直接关系。这个计算的流量可用于远程指示目的， 且与辅助流体温度2和阀门流体温度传感器22一起使用以计算选择性单元 中的能量。

在其它实施例中，能耗计算和保留模块24与阀门致动器14一体，且 使用辅助流体温度传感器2、阀门流体温度传感器22和来自流体压力和流 量计算模块25的流量信息来计算以英国热力单位(BTU)Kw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，流体压力和流量计算模 块的计算基于来自阀门流率计19、入口阀门压力传感器20、出口阀门压力 传感器21、和阀门塞位置23的数据。通过将能耗计算和保留模块24完全 集成到阀门致动器14的电子器件中，无需分开组装的部件就可以通过符合 成本效益的方式监测、追踪、和保留有关能量使用的数据。累计的能量信 息可以被用于依据良好实践的M&V协议的M&V，以追踪和记载ECM， 且可以由BMS清除，以使BMS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。

在具体实施例中，诊断信息模块34提供从致动器受力和行程状态模块 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 抗气蚀控制模块26接收的诊断信息，诊断信息指示气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。在另外的本发明的实施例中，诊断模块也可以 协助保留例如由能耗计算和保留模块24提供且与异常高能量使用相关的数 据、或与落到某些预先设定极限外的温度和压力数据相关的其它数据。

在通过PI-PD模式跳线16将阀门和致动器组件37设置为用于压力无 关阀门操作时，PI-PD模式选择装置15从压力无关模式水阀门位置控制器 13接收其信号。在具体实施例中，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和抗气蚀控制模块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的用于线性阀门杆移动致动 器14的计算出的数值位置转换为计算出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判断的水流量控制。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。与所有其它阀门和致动器组件37一样，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的时候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，以改善HVAC系统响应。压力无关模式水阀门位置控制器13使 用保留线性阀门闭合件移动阀门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，因而在相同的线性阀门闭合件移动阀门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。

区域气温控制器8将流量设定点从最小流量水平复位至最大流量水平。 水盘管最大流量控制器9限定最大流量，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。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37被配置为进 行压力有关操作时相同的冻结保护序列来进行操作。使最小流率与建筑物 的冷却器和锅炉同步，以使冷却器和锅炉在其最有效率温差下进行操作。

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量效率。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 无效率地操作。同样，无效率地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。

抗气蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器 21、阀门流体温度传感器22和阀门特定的气蚀系数来判断是否存在气蚀状 况或者预测是否会发生气蚀。由于水温影响气蚀区域，而气蚀区域又取决 于阀门的最大容许压差，因而抗气蚀控制模块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气蚀点。

阀门特定的气蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口与外 部出口的压差和内部入口压力与阀中的最小压力的压差的比值。通常，阀 门特定的气蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀门中的气蚀通 常是从阀门闭合件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。在由抗气蚀控制模块26计算可能的气蚀状况 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 减小阀门的压差下降，直到其脱离气蚀区域为止。

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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。在阅读了前述说明之后，这些优选实施例的变型对于本领 域技术人员而言将变得显而易见。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。