CN101044364A - 确定避免围护结构内冷凝的室内空间最大容许湿度 - Google Patents

Abstract

使用已知的空气心理测验特性来实现准确的室内相对湿度控制，以便无需复杂的数学计算要求，即可避免围护结构内的冷凝。HVAC***控制器包括简单的控制算法，用来根据单一的调整因素(A^*)和环境输入计算有效增量(ΔT)。然后用有效增量(ΔT)来确定最大容许室内相对湿度。然后所述***控制器可以用来选择性地启动/停用一个装置，以便把实际的室内相对湿度调整至低于最大容许室内相对湿度的数值，以便避免围护结构内的冷凝。

Description

确定避免围护结构内冷凝的室内空间最大容许湿度

发明背景

本申请要求2004年1月20日提交的美国临时申请No.60/537,527的优先权，其公开整个包括在此作参考。

本申请涉及室内中央供暖、通风、空调(HVAC)***，其中各种不同的单元向中央控制器报告环境特性，以便作出关于用户输入的评估。中央控制器控制室内相对湿度，以避免″围护结构″内出现冷凝。″围护结构″定义为包括所有建筑物外墙(即，具有暴露于外部因素的侧面的墙)和屋顶。

相对湿度定义为给定空气温度下空气中水份的实际数量与最大容湿量的比值。已知随着温度上升，空气以水蒸气形式保持水份的能力也增大。反之，随着温度下降，空气保持水份的能力下降，而任何多余的水份便在与空气接触的表面上冷凝为水。

因此，在冬天月份过期间，户外冷空气具有相对较低的水份含量，但是建筑结构内的空气一般是加热的。取决于特定建筑物的结构质量，室外干冷空气吸入温暖的室内空间并随后被加热至室内温度。这种现象有效地降低室内相对湿度并使室内空气变得非常干燥。

为了解决冬天干燥问题，往往使用增湿机作为中央供暖***的一部分。增湿机把水份引入被加热的空气中，增大室内相对湿度。增湿机一般由称为恒湿器的装置控制。恒湿器检测实际室内相对湿度，并允许业主设定要求的室内相对湿度等级。当室内相对湿度降到低于所述要求等级时，恒湿器便启动增湿机向空气增加水份。一旦达到要求的室内湿度，恒湿器便停用增湿机。

建筑物一般都具有隔热墙和搁楼，以便把热损失减到最小，并减少冷空气的吸入。但是，一部分围护结构，诸如窗口，可能隔热比其他地方差，因而其内表面可能变得比较冷。若户外温度足够低而室内湿度又足够高，则水份便可能冷凝在这些隔热较差的内表面，而这是不希望的。反之，某些建筑物在比较寒冷的气候中构建得极其″紧密″，允许最小的户外空气吸入量。若没有由于室外空气吸入而造成的自然干燥，由住户和他们的活动产生的内部水份使室内相对湿度达到高等级，结果是即使在冬天月份也造成冷凝。

为了解决对高的室内相对湿度的关心，往往使用称为通风机的装置。一旦室内相对湿度超过要求的等级，通风机就被启动，把受控数量的室外干燥空气带入围护结构内，以降低室内相对湿度。通风机一般由与控制增湿机的恒湿器分离的第二恒湿器控制。

一般，室外越寒冷，为了避免冷凝，室内相对湿度就必须越低。因此，当气候转冷时住户一般会发现冷凝，因而降低恒湿器设定值作为响应。但是，随着气候模式变化，往往要求频繁的手工调整。至今还没有办法让住户如何来准确地调整湿度设定值。与理想的室内湿度等级相比，连续的尝试法过程造成室内相对湿度等级不是太高，就是太低。

因此，用简单的恒湿器把室内相对湿度控制到固定的相对湿度等级是不希望有的。

尽管已经有人提出***建议，来完成最大相对湿度等级的详细计算，但是已知的建议都相当复杂。于是，最好让HVAC***根据室内和户外温度简单地但是准确地确定允许的最大室内相对湿度来避免在围护结构内的冷凝。

发明摘要

本发明使用关于空气的心理测验特性(psychometriccharacteristics of air)的已知数据来实现准确的室内相对湿度控制，以便不必进行复杂的数学计算即可避免冷凝。

HVAC***控制器使用简单的控制算法来根据单一的调整因素和环境输入，诸如室内温度、室外温度和/或室内相对湿度计算有效增量(ΔT)。然后用所述有效增量(ΔT)来确定最大容许室内相对湿度，以便避免围护结构内的冷凝。

在本发明一个公开的实施例中，所述用户输入是由建筑物业主/住户输入的用户可选的供暖湿度等级。住户从预定的范围1-9选择供暖湿度等级，默认值在中间某处，例如5。随后使用选定的供暖湿度等级来确定单一的调整因素(A^*)。在所述实施例中，中央控制器使用存储在存储器的换算表，把用户选定的供暖湿度等级转换为单一的调整因素(A^*)。然后使用所述单一的调整因素(A^*)来根据用户选定的供暖湿度等级计算最大容许室内相对湿度。

住户一般把供暖湿度等级设置在刚好低于允许冷凝出现的等级上。这是通过叠代过程完成的。住户选择性地提高供暖湿度等级，直到在围护结构内出现冷凝为止。住户选择性地降低供暖湿度至刚好低于冷凝发生的等级。一旦住户已经选定避免冷凝所要求的室内相对湿度等级，中央控制器便可以用来根据用户选定的室内相对湿度等级来维持实际室内相对湿度，连续地调整实际室内相对湿度，以适应改变着的环境状态，而同时防止冷凝。

在本发明的另一个公开实施例中，用户输入是由HVAC***的安装者在安装时输入的。用户输入代表建筑结构特性，而且一般是围护结构隔热等级的指标。可以根据安装者对以前的质量类似的房屋的过去经验来设定用户输入。在所述实施例中，中央控制器使用换算表，随后把结构特性转换为上述单一的调整因素(A^*)。然后使用所述单一的调整因素(A^*)，根据建筑物的隔热等级计算最大容许室内相对湿度。一旦安装者设定之后，HVAC***便可以用来维持实际室内相对湿度等级，连续地调整以便适应改变着的环境状态，以避免冷凝。

从以下专利说明书和附图可以最好地理解本发明的这些及其他特征，以下是附图的简要说明。

附图的简短说明

图1是建筑物HVAC***的示意图。

图2是HVAC***控制器的细部示意图。

图3是允许相对湿度百分数和两个不同的温度之间的差值之间关系的图形表示。

图4是示例性换算表；

图5是示例性容许湿度表。

推荐实施例的详细说明

图1中示出建筑物HVAC***10的示意图。室内控制单元12包括中央控制器14，中央控制器14可以用来从用户接口18接收用户输入16和至少一个环境输入20。用户输入16是从预定的范围选择的供暖湿度等级22。如图所示，所述等级是通过用户接口18上的上/下箭头24调整后的。当然可以是利用另一个其他的输入装置。户外单元26可以用来把环境输入20发送给中央控制器14。

然后中央控制器14根据用户输入16和环境输入20计算要求的室内相对湿度，并通过选择性地启动/停用至少一个室内装置28调整实际室内相对湿度至接近算出的要求的室内相对湿度的数值。如已经知道的，室内装置28可以是增湿机30和/或通风机32，或其它湿度控制装置。

图2中示出中央控制器14的细部示意图。中央控制器14可以用来接收用户输入16和至少一个环境输入。用户接口18可以用来接收用户输入16，以便设定要求的温度19和湿度等级22，并把用户输入16发送给中央控制器14。所述环境输入包括室外温度T₁和室内温度T₂。中央控制器14还包括至少一个存储在存储器中的参照表。

已经公开一种已知的表，所述已知的表把空气温度t与饱和下的湿度比W_s关联起来。饱和下的湿度比W_s代表在所述温度t下空气保持最大水份的能力。可以在A.S.H.R.A.E.FundamentalsHandbook(基本原理手册)(1997年出版)(A.S.H.R.A.E.表)找到一个标题为：潮湿空气的热力学特性、标准大气压力14,696p.s.i.(29.921英寸汞柱)的示例表。

为了提供简单但又准确的方法，从W_s计算t或从t计算W_s，进行了以下观察。两个不同的温度t₁和t₂下W_s的比值在很大程度上取决于t₁和t₂之间的差，而不是取决于各个温度本身。所述比值可以方便地表示为容许湿度百分数(％RH)。例如，假定t₂大于t₁，而W_s相应的值是W_S1和W_S2。如在图3中用图形方式图解说明的，W_s1和W_s2的比值(％RH)可以根据A.S.H.R.A.E.表作为t₁和t₂之间的差值(增量T)的函数非常近似地求出。另外，图3还表示对于任何增量T的值，W_s1和W_s2的比值实际上都是一样的，不论t₂是60还是73。

一般，t₂代表室内温度，而t₁代表室外温度。因此，例如，在供暖季节，亦即，当室外温度低于室内温度时，t₂一般控制在60和72之间，而同时t₁一般从-15至55改变。

在一种理论情况下，其中围护结构不具有隔热层，建筑物室内表面的温度将等于室外温度t₁。在这种理论情况下，若室内水份含量(湿度比)超过W_s1(这是t₁下的饱和等级)。在所述建筑物内表面上将出现冷凝，因而，为了避免在建筑物室内表面上冷凝，最大容许室内水份含量是W_s。另外，应该明白，在室内温度t₂下，室内空气的水份保持能力是W_s2。根据相对湿度的定义，W_s1和W_s2的比值是发生冷凝的室内相对湿度。因此，W_s1和W_s2的比值是为避免冷凝的容许室内相对湿度。

但是，因为所有围护结构具有至少某种水平的隔热，所以以上所述的是一种极限情况。在实际的围护结构中，有效的ΔT小于室内温度和室外温度之间的实际差值，因为围护结构起隔热势垒的作用，减少室外温度对室内空间的影响。有效的有效增量T(ΔT)根据以下方程式算出：

ΔT＝A^*(t₂-t₁)

其中A^*是调整因素，较低的调整因素表示隔热较好的房屋。

在一个实施例中，用户输入16是用户可选的供暖湿度等级，它是从预定的范围选择的，并通过按下用户接口18上的上/下箭头24来调整。在所述实施例中，供暖湿度等级通常最初由业主输入并调整至刚好低于允许冷凝出现的水平。这是通过叠代过程完成的。住户选择性地提高供暖湿度等级直到围护结构内发生冷凝为止。然后住户选择性地降低供暖湿度至刚好低于发生冷凝水平的水平。一旦设定，便不要求业主进行任何进一步的调整，因为中央控制器14可以用来补偿室内和室外温度的变动，控制最大容许室内湿度以避免冷凝。当然，所述叠代过程可以由***安装者而不是住户完成。在所述实施例中，中央控制器14使用图3中示出的换算表(CT)，把用户输入16转换为调整因素A^*。转换之后，中央控制器14根据所述公式计算有效增量ΔT：

ΔT＝A^*(t₂-t₁)

计算有效增量ΔT之后，中央控制器14使用图4中示出的容许湿度表(AHT)来确定最大容许室内相对湿度。当然，与这样的表相似的确定基准值的其它方法也在本发明的范围之内。利用用户输入和环境输入来确定数值基准的任何方法也和表相似地落在本发明的范围内。

确定最大容许室内相对湿度之后，中央控制器14可以用来选择性地启动/停用室内装置28，来调整实际室内相对湿度至小于算出的避免冷凝的最大容许室内相对湿度的数值。通过比较实际室内相对湿度与算出的最大容许室内相对湿度来确定是启动还是停用室内装置28。

若室内装置28是增湿机30，而比较时中央控制器14确定实际室内相对湿度小于所述算出的最大容许室内相对湿度，则中央控制器14启动增湿机30。通过启动增湿机30，产生温暖的潮湿空气，并将其引入围护结构，有效地提高实际室内相对湿度。反之，若比较时中央控制器14确定实际室内相对湿度大于算出的最大容许室内相对湿度，则中央控制器14停用增湿机30，让实际室内相对湿度降低。

另外，如果室内装置28是通风机32并且比较时中央控制器14确定实际室内相对湿度大于算出的最大容许室内相对湿度，则中央控制器14启动通风机32。通过启动通风机32，干冷的室外空气被带入围护结构，有效地降低实际室内相对湿度。反之，若比较时中央控制器14确定实际室内相对湿度小于算出的最大容许室内相对湿度，则中央控制器14停用通风机32，让实际室内相对湿度增大。

最后，若室内装置28既包括增湿机30又包括通风机32，则中央控制器14可以用来确定实际室内相对湿度，并比较实际室内相对湿度和算出最大容许室内相对湿度。然后根据所述比较，中央控制器14可以用来选择性地启动/停用增湿机30和/或通风机32中的一个或它们两个，以便调节实际室内相对湿度至小于最大容许室内相对湿度的数值，以便防止冷凝。

在另一个实施例中，用户输入16由HVAC***安装者输入。在该实施例中，用户输入16代表建筑物结构上的特性，一般表示围护结构的隔热等级。在该实施例中，建筑物结构特性对应于供暖湿度等级，一般由HVAC的安装者根据他对建筑物的隔热等级的知识和他对类似质量的建筑物的过去经验输入。一旦由HVAC***安装者设定，建筑物的业主一般不需要进行进一步的校准，因为中央控制器14可以用来补偿室内和室外温度变动，控制最大容许室内湿度，以避免冷凝。

通过使确定的基准值与存储的最大容许室内相对湿度值相关联，本发明能够提供准确湿度控制输入，本发明能够用相对简单的***提供准确的湿度控制输入。

尽管已经公开了本发明的两个推荐的实施例，但是本专业的普通技术人员会识别到某些修改会落在本发明的范围内。因此，应该研究以下权利要求书，以确定本发明的真实的范围和内容。

Claims (20)

1.一种用于HVAC***的控制器，所述控制器包括：

控制单元，用于从传感器接收至少一个环境输入，所述控制单元包括存储器；以及

接口，用于把用户输入输入到所述控制单元中，其中所述控制单元根据所述用户输入和所述至少一个环境输入确定基准值，所述控制单元把所述基准值与存储在位于所述存储器中的容许湿度表比较，确定最大容许室内相对湿度，并且所述控制单元根据所述最大容许室内相对湿度调整实际室内相对湿度。

2.如权利要求1所述的控制器，其中所述至少一个环境输入包括室内温度和室外温度，而所述基准值是根据所述室内温度、所述室外温度和所述用户输入算出的有效增量。

3.如权利要求2所述的控制器，其中所述存储器还包括换算表，用于把所述用户输入转换为调整因素，其中所述调整因素用来计算所述有效增量。

4.如权利要求3所述的控制器，其中所述用户输入是用户可选的湿度等级。

5.如权利要求3所述的控制器，其中所述用户输入代表建筑结构特性。

6.如权利要求1所述的控制器，其中把所述实际室内相对湿度调整至低于所述最大容许室内相对湿度的等级。

7.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制单元可以用来选择性地启动或停用至少一个装置，以便把所述实际室内相对湿度调整至低于所述最大容许室内相对湿度的等级。

8.如权利要求1所述的控制器，其中所述至少一个环境输入包括可以用来把所述实际室内相对湿度传递到所述中央控制单元的实际室内相对湿度传感器。

9.如权利要求8所述的控制器，其中所述中央控制单元可以用来当所述实际室内相对湿度达到预定值时，选择性地启动或停用至少一个装置。

10.一种控制相对湿度的方法，所述方法包括：

测量室内温度；

测量室外温度；

输入用户输入；以及

根据所述实测室内温度，所述实测室外温度和所述用户输入计算基准值增量；

根据所述计算确定最大容许室内相对湿度；以及

根据所述确定的最大容许室内相对湿度调整室内相对湿度。

11.如权利要求10所述的方法，其中还包括转换步骤，其中在所述计算步骤之前通过换算表把所述用户输入转换为调整因素；所述调整因素用来计算所述基准值。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述用户输入是用户可选的供暖湿度等级。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述用户输入代表建筑结构特性。

14.如权利要求10所述的方法，其中把所述室内相对湿度调整到小于所述最大容许室内相对湿度。

15.一种HVAC***，它包括：

控制单元，可以用来从用户接口接收用户输入和至少一个环境输入；

户外单元，可以用来从户外传感器向所述控制单元发送户外环境输入；

室内单元，可以用来把来自室内传感器的室内环境输入发送至所述控制单元；以及

至少一个室内装置，可以用来调整实际室内相对湿度；其中所述控制单元根据所述户外环境输入、所述室内环境输入和所述用户输入确定基准值，根据所述基准值确定最大容许室内相对湿度，以及选择性地启动或停用所述至少一个室内装置，以便根据所述最大容许室内相对湿度把所述实际室内相对湿度调整到避免冷凝的值。

16.如权利要求15所述的HVAC***，其中所述用户输入代表建筑结构特性。

17.如权利要求15所述的HVAC***，其中所述用户输入是用户可选的供暖湿度等级。

18.如权利要求15所述的HVAC***，其中所述控制单元还包括存储器，所述存储器包括用于把所述用户输入转换为调整因素的换算表，以及

用于根据所述基准值确定所述最大容许室内相对湿度的容许湿度表。

19.如权利要求15所述的HVAC***，其中所述控制单元可以用来选择性地启动或停用所述至少一个装置，以便把所述实际室内相对湿度调整至小于所述最大容许室内相对湿度的值。

20.如权利要求15所述的HVAC***，其中以有效增量的形式至少部分地根据所述户外环境输入和所述室内环境输入之间的差值算出所述基准值。

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