CN110173844A - 智能空气管理***、智能管道及相关控制房间温度的方法 - Google Patents
智能空气管理***、智能管道及相关控制房间温度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种智能空气管理***包括:HVAC单元、包括机电致动的节气阀的智能管道、连接至智能管道的电源、通信连接至智能管道和布置在房间中的至少一个房间传感器的控制器、以及流体连接至智能管道并布置在房间中的通风孔,其中,控制器被配置为响应于来自至少一个房间传感器的测量打开和关闭机电致动的节气阀。还描述了控制多房间结构中的房间温度的方法和智能管道。
Description
相关申请的交叉引证
本申请要求于2018年2月20日提交的美国临时专利申请号62/632,480的优先权,其全部内容通过引证结合于本文中。
技术领域
本发明涉及一种智能空气管理***、控制多房间结构中的房间温度的方法以及智能管道。
背景技术
目前可用的暖通空调(HVAC,供热通风与空气调节)***广泛属于两个种类。较小的住宅***由单个“区域”构成,该区域具有加热***、空调***和恒温器。恒温器测量住宅中的单个点处的温度(有时靠近用于任何再循环通风***的进气口),并且将该温度与阈值或阈值集进行比较。如果该温度降低到最小阈值以下,则HVAC***将接通加热器以使住宅暖和。如果温度升高到最大阈值以上,则HVAC***将接通空调器以使其冷却。
第二种类结合大型住宅或商业结构(将该结构分为多个“区域”)内的多个这种***。例如,办公楼可被分成四个区域,每个区域具有其自己的恒温器、加热器和空调器。在这个实例中,每个区域将利用三种设置(加热、冷却或什么都不做)和一个测量点(恒温器)作为它自己的、封闭的、恒温的控制***。这些区域可以在大小上从五十平方英尺到数千平方英尺发生广泛变化。
这些现有***具有许多缺点。首先,它们效率低,因为它们不能准确读取一区域内的不同空间中的温度。办公空间可能具有布置在走廊中而不是在任何个人办公室中的单个恒温器。这可能导致HVAC***继续冷却已经冷却的房间的情况,因为恒温器正好位于办公室的较暖和部分。在另一实例中,在建筑的北侧没有窗户的办公室可能与朝向建筑的南侧具有窗户的会议室具有明显不同的温度。在住宅应用中,由于热空气上升的自然趋势,房屋顶层的房间通常比底层明显更暖和。
多区域HVAC***中的区域还缺乏灵活性,意味着难以改变空气的方向,并且在一天中不可以动态调整通风路径。管道和空气处理器在房屋建筑期间布置,并且因此改变它们的形状或再添加的唯一方式就是重新设计和替换现有的管道和控制器,这是一个昂贵且复杂的过程。尽管存在包括机动式节气阀(damper,风门)的管道,但是这些现有管道不是无线连接或可控制的,并且任何调整都需要建筑工程师参与,不管是手动调整一个或多个节气阀还是通过分离的、有线控制***控制它们。
住房和商业建筑中现有的HVAC***使用的大部分管道是“哑的”,即,它们缺乏用于提供测量、控制或与HVAC***中的其他管道的互操作性的任何传感器或致动器。哑管道是在没有任何智能的情况下使空气围绕***移动的开放式管道。因此,它们形成了冷热空气的低效率的、不平衡的分配,当它们已经冷却时使一些区域更冷并且当它们已经热时使一些区域更热。
因此,在本领域中存在对具有智能传感器和致动器的空气循环和气候控制的更细致***的需求,以提高效率和总体舒适度。本发明满足这个需求。
发明内容
在一个方面中,智能空气管理***包括:HVAC单元、包括流体连接至HVAC单元的机电致动的节气阀的智能管道、连接至智能管道的电源、通信连接至智能管道和布置在房间中的至少一个房间传感器的控制器、以及流体连接至智能管道并布置在房间中的通风孔,其中,控制器被配置为响应于来自至少一个房间传感器的测量打开和关闭机电致动的节气阀。
在一个实施方式中,该***进一步包括送风静压箱(supply plenum box)并且智能管道是智能送风管道。在一个实施方式中,该***进一步包括回风静压箱(returnplenum box)并且智能管道是智能回风管道。在一个实施方式中,房间传感器是温度传感器。在一个实施方式中,该***进一步包括布置在管道内并且通信连接至控制器的至少一个管道传感器。在一个实施方式中,管道传感器是烟雾传感器,并且节气阀被配置为当在管道中检测到烟雾时自动关闭。在一个实施方式中,管道传感器是热传感器,并且节气阀被配置为当在管道中检测到很高的温度时自动关闭。在一个实施方式中,电源是有线电力电源。在一个实施方式中,电源是电池。在一个实施方式中,控制器是恒温器。
在一个实施方式中,该***进一步包括流体连接至HVAC单元的送风静压箱、流体连接至HVAC单元的回风静压箱、流体连接至送风静压箱和通风孔的智能送风管道、以及流体连接至回风静压箱和通风孔的智能回风管道,其中,当智能回风管道打开时,通风孔可以用作回风通风孔,或者当智能送风管道打开时,通风孔用作送风通风孔。在一个实施方式中,该***进一步包括VAV空气处理器。
在另一方面中,控制多房间结构中的房间温度(room temperature,室温)的方法包括以下步骤:从第一房间中的传感器获得第一房间温度测量,从第二房间中的传感器获得第二房间温度测量,激活HVAC单元以改变流动通过HVAC单元的空气的温度,打开流体连接至第一房间的第一智能管道中的第一节气阀,关闭流体连接至第二房间的第二智能管道中的第二节气阀,并且迫使一些空气通过HVAC单元和第一智能管道进入到第一房间中,使得关闭的第二节气阀基本上阻断进入到第二房间中的所有气流。
在一个实施方式中,该方法进一步包括以下步骤:从布置在第一智能管道内的气流传感器获得管道气流测量,将管道气流测量与预期的第一管道气流水平进行比较,并且如果管道气流测量小于预期的第一管道气流水平,则打开流体连接至HVAC单元的进气口的智能旁通管道。在一个实施方式中,HVAC单元是被配置为降低通过它的空气的温度的空调器。
在另一方面中,控制多房间结构中的房间温度的方法包括以下步骤:从第一房间中的传感器获得第一房间温度测量,从第二房间中的传感器获得第二房间温度测量,获得期望的阈值空气温度,激活风扇以使空气移动通过HVAC单元,打开流体连接至第一房间的第一智能管道中的第一节气阀,打开流体连接至第二房间的第二智能管道中的第二节气阀,并且当第一房间温度测量满足期望的阈值空气温度并且第二房间温度测量不满足期望的阈值空气温度时,迫使一些空气从第一房间通过HVAC单元进入到第二房间中。
在一个实施方式中,该方法进一步包括以下步骤:激活HVAC单元内的冷却元件以使空气进一步冷却,其中,期望的阈值空气温度是最高空气温度。在一个实施方式中,该方法进一步包括以下步骤:激活HVAC单元内的加热元件以使空气加热,其中,期望的阈值空气温度是最低空气温度。在一个实施方式中,该方法进一步包括以下步骤:打开将HVAC单元的送风端流体连接至HVAC单元的回风端的旁通管道中的节气阀,并且使一定量的空气流动通过旁通管道且通过HVAC单元返回以进行进一步冷却。在一个实施方式中,该方法进一步包括以下步骤:打开将HVAC单元的送风端流体连接至HVAC单元的回风端的旁通管道中的节气阀,并且使一定量的空气流动通过旁通管道且通过HVAC单元返回以进行进一步加热。
在另一方面中,智能管道包括进口、出口、布置在进口和出口之间的节气阀、被配置为打开和关闭节气阀的机电致动器、以及控制器,该控制器被配置为操作机电致动器并检索来自传感器的测量并且经由通信信道接收来自中央HVAC控制器的指令。在一个实施方式中,通信信道是无线通信信道。在一个实施方式中,智能管道进一步包括被配置为监测智能管道内的至少一个空气参数的传感器。在一个实施方式中,该传感器是烟雾传感器。在一个实施方式中,该传感器是温度传感器。在一个实施方式中,该传感器是湿度传感器。在一个实施方式中,该传感器是空气质量传感器。在一个实施方式中,智能管道进一步包括电源连接器,其中,智能管道被配置为当电源中断时自动关闭。在一个实施方式中,节气阀基本上是圆形的并且致动器被配置为使节气阀旋转以将其打开和关闭。在一个实施方式中,致动器是电动机。在一个实施方式中,致动器是螺线管。
在一个实施方式中,智能管道进一步包括连接至节气阀的弹簧以及布置在进口和出口之间的止挡件,其中,该弹簧被配置为相对止挡件驱动节气阀以将节气阀固定在默认位置中。在一个实施方式中,默认位置基本上是打开的。在一个实施方式中,默认位置基本上是关闭的。在一个实施方式中,节气阀基本上是长方形的。
附图说明
参考以下描述和附图,上述目的和特征以及其他目的和特征将变得显而易见,附图被包括进来以提供对本发明的理解并且构成说明书的一部分,并且在附图中:
图1是示例性住宅微域***的示图;
图2是示例性商用微域***的俯视图;
图3是微域***的示例性连接线路图;
图4是示例性住宅微域***的示图;
图5是示例性住宅微域***的示图;
图6是示例性商用微域***的示图;
图7是示例性智能管道的示意图。
图8是住宅应用中的智能管道的示例性分布的示图;
图9是靠近HVAC单元的智能管道布局的详细示图;
图10是示例性商用微域***的连接线路图;
图11A是本发明的算法的流程图;
图11B是本发明的算法的流程图;
图11C是本发明的算法的流程图;以及
图11D是本发明的算法的流程图。
具体实施方式
应当理解,为了对本发明的清楚理解,已经简化了本发明的附图和描述以示出相关的元件,同时为了清晰的目的,删除了在相关***和方法中出现的许多其他元件。本领域内的普通技术人员可以认识到,在实现本发明中其他元件和/或步骤是理想的和/或必需的。然而,因为这种元件和步骤在本领域中是众所周知的,并且因为它们不能促进对本发明的更好理解,因此在本文中将不提供对这种元件和步骤的讨论。此处的本公开内容针对本领域中的技术人员所知的对这种元件和方法的所有这种变化和修改。
除非另有限定,本文中使用的所有技术术语和科学术语的含义与本发明所属领域中普通技术人员通常理解的含义相同。尽管与在本文中描述的方法和材料相似或相同的任何方法和材料可以用于本发明的实践或测试,但是将描述的是示例性方法和材料。
如本文中使用的,在本部分中以下术语中的每一个都具有与其相关联的含义。
本文中使用的冠词“a(一)”和“an(一个)”指的是冠词的语法对象的一个或者多于一个(即,至少一个)。通过举例的方式,“元件”意味着一个元件或多于一个元件。
当参考诸如量、时段等可测量值时,本文中使用的“大约”意味着包含基于具体值的±20%、±10%、±5%、±1%和±0.1%的变化,因而这种变化是适当的。
贯穿本公开内容,本发明的各个方面可以范围形式呈现。应理解的是,在范围形式中的描述仅用于方便和简单起见,而不应理解为对本发明的范围进行固定限制。因此,范围的描述应被视为特别公开了所有可能的子范围以及在该范围内的单独的数值。例如,对于诸如1至6的范围的描述应当被认为具体公开了诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等的子范围,以及处于该范围内的单个数字,例如1、2、2.7、3、4、5、5.3和6以及介入其间的任何全部和部分增量。无论范围的宽度如何,这种理解均适用。
在本发明的一些方面中,实施本文中提供的指令的软件可以存储在非易失性计算机可读介质上,其中,当在处理器上执行时该软件执行本发明的一些或所有步骤。
本发明的方面涉及在计算机软件中执行的算法。尽管某些实施方式可能被描述为写入在特定编程语言中,或者在特定操作***或计算平台上执行,但是应理解的是,本发明的***和方法不限于任何特定计算语言、平台或其组合。执行本文中描述的算法的软件可以在本领域已知的任何编程语言中写入、编辑或解释,包括但不限于C、C++、C#、Objective-C、Java、JavaScript、Python、PHP、Perl、Ruby或Visual Basic。进一步理解的是,本发明的元件可以在任何可接受的计算平台上执行,包括但不限于服务器、云实例、工作站、瘦客户端、移动装置、嵌入式微控制器、电视机、或者本领域已知的任何其他合适的计算装置。
本发明的一些部分描述为在计算装置上运行的软件。尽管本文中描述的软件可以公开为在一个特定计算装置(例如,专用服务器或工作站)上操作,但是在本领域应理解的是,软件在本质上是可搬运的,并且为了本发明的目的,在专用服务器上运行的大部分软件还可以在各种各样的装置的任一个上运行,包括台式机或移动装置、笔记本电脑、平板电脑、智能电话、手表、可佩戴电子或其他无线数字/蜂窝电话、电视机、云实例、嵌入式微控制器、瘦客户端装置、或本领域已知的任何其他合适的计算装置。
类似地,本发明的一些部分被描述为在各种无线或有线计算机网络上通信。为了本发明的目的,词语“网络”、“网络化”和“联网”应理解为包含有线以太网、光纤连接、包括各种802.11标准中的任一个的无线连接、诸如3G或4G/LTE网络的蜂窝WAN基础设施、低功耗(BLE)、蓝牙网状网络、蓝牙低功耗网状网络、或Z波通信链路、或一个电子装置能够通过其与另一个通信的任何其他方法。在一些实施方式中,本发明的网络部分的元件可以在虚拟专用网络(VPN)上实现。
如本文中使用的,“微域***”或“微域”是在不需要额外HVAC控制器的情况下可以独立控制其中气流到HVAC区域中的每个空间中的***。例如,HVAC区域中的“空间”可以是起居室或工作场所、走廊、会议室、或通常由诸如墙壁和门的隔板限定的其他空间。在一些情况下,微域可以是较大房间的子部分,例如,健身房的二分之一。微域允许精确控制气流到小于一般HVAC区域的区域,加热或冷却独立于HVAC区域中的其他空间的每个微域。以此方式,微域***可以允许贯穿一个或多个HVAC区域的更高效和更有效的温度均衡化。还可以通过控制气流至微域并且定期从一个或多个微域传感器读取温度测量来独立影响单个微域中的温度。
如本文中使用的,“智能管道”是包括附加致动器以及通过致动器移动以控制气流的一个或多个节气阀的管道或者管道的一部分。在一些实施方式中,智能管道进一步包括例如包括微处理器或微控制器和无线连接的一个或多个印刷电路板(PCB)。一些智能管道还可以进一步包括用于测量流动通过该管道或周围环境的空气的参数的零个或多个传感器。
微域一般包括将空气供应或返回至HVAC***的至少一个智能管道。微域可包括一个或多个智能送风管道、智能回风管道、旁通智能管道、或这些中的两个或更多个的结合。每个微域还一般包括至少一个温度传感器,一个或多个控制器使用至少一个温度传感器的测量结果以驱动空气进入到微域中或者微域之外。本发明的***还可以包括各种类型的经由有线或无线连接以连接至一个或多个控制器的额外传感器。尽管智能管道允许改进的气流控制,但是微域***可以利用智能管道和哑管道进行构建。例如,可以构建微域***,其仅使用一个或多个智能送风管道、仅使用一个或多个智能回风管道、或者仅使用一个或多个智能旁通管道,而***中的其他管道为哑管道。
本发明的控制器被配置为将热空气或冷空气智能分配至微域,并且独立于其他微域和现有HVAC区域来控制每个微域中的温度。在一些实施方式中,常规的恒温器可以作为控制器,但是在其他实施方式中,控制器还可以包括附加传感器和处理元件。例如,控制器可包括通信连接至一个或多个通信收发器的微处理器或微控制器。这些通信收发器可以支持一个或多个有线或无线通信协议,包括但不限于蓝牙、蓝牙网状网络、蓝牙低功耗、Zwave、Zigbee、wi-fi、以太网、USB、IR、或者本领域已知的任何其他合适的通信协议。在一个实施方式中,控制器使用各种通信接口从一组至少一个传感器收集数据,处理从至少一个传感器接收的数据,并且基于处理的数据将控制信号发送至一个或多个空调单元、加热器、空气处理器或智能管道以便控制用于每个微域的气流。
在一个实施方式中,控制器可以起到网络中心(集线器,hub)的作用或者包括网络中心,并且可以经由本发明的***的各种部件之中的一个或多个有线或无线通信协议促进通信,这些部件包括但不限于一个或多个恒温器、一个或多个传感器、一个或多个HVAC单元、一个或多个变风量(VAV)空气处理器或VAV箱、一个或多个智能管道、或者一个或多个额外控制器。在一些实施方式中,本发明的控制器的一些或所有功能可以通过嵌入或合并到HVAC单元、VAV箱或恒温器中的装置执行。
每个微域可以包含一个或多个传感器,该传感器被配置为收集控制器使用的关于微域的相关参数以控制温度和气流。这种传感器的实例包括但不限于温度传感器、空气质量传感器、气流传感器、湿度传感器、运动传感器、CO2检测器、CO检测器、光传感器、烟雾传感器、照相机、近程式传感器、麦克风、近场通信(NFC)传感器、测力计、或者可以用于控制HVAC参数的任何其他类型的传感器。本发明的传感器可以单独布置,或者可以可替换地集成到定制壳体或***或房间的现有元件的壳体中。示例性传感器可以集成到恒温器或者用于HVAC***的其他控制机构中,或者可以可替换地布置在照明开关、照明开关盖、墙壁电源插座、墙壁电源插座盖、运动检测器、烟雾检测器、CO2检测器、CO检测器、窗框、门框、铰链、天花线板、踢脚板、门把手、门、电视机、椅子、床、喷水头、或者有利于进行适当测量的房间内的任何其他位置内。
在一些实施方式中,控制器可以使用一个或多个微域传感器测量来确定是否有人在微域中。例如,运动传感器可以监测微域内的移动,或者声音传感器可以测量由微域内的人产生的声音。当控制器确定在微域内检测到人时,控制器可以调整空气温度或空气分配进行补偿。例如,控制器可以打开通向其中检测到人的微域中的一个或多个智能管道,并且关闭通向没有检测到人的微域中的一个或多个智能管道。通过这样做,微域***将防止***冷却或加热HVAC区域中目前居住者没有使用的区域。
每个微域可具有布置在其内的至少一个传感器,或者可替换地,多个微域可以共享一个或多个传感器。当从控制器接收到查询信号或消息时,一个传感器或多个传感器自主地或根据请求将测量传输至控制器。控制器然后处理该测量并且将它们与用户设置进行比较,以便确定采取哪种行为,例如,接通或断开空调器,或者打开或关闭一个或多个智能管道。
在一个实例中,如通过布置在顶层和底层上的温度传感器检测到的,住房的顶层比底层热。如果控制器被设为冷却,即,将温度维持在给定阈值以下,则微域***可以关闭通向底层的一个或多个智能管道并且打开通向顶层的一个或多个智能管道,同时激活空调器。以此方式,来自空调器的冷空气将仅被传递至需求最多的顶层。该***可以此外或可替换地打开设计成使空气从空气处理器的输出或空调单元再循环回到进气口中的智能旁通或智能再循环管道。以此方式,最终到达一个或多个微域中的通风孔的排气将比以其他方式得到的排气更冷,因为暴露于冷却元件较长时间导致更多热量被吸走。该***可以此外或可替换地打开底层上的一个或多个智能回风管道,从下层抽吸较冷的吸入空气。该***可以激活空调单元进一步使空气冷却,或者可以可替换地将较冷的空气简单地从下层排放到较热的上层,而不进行额外冷却。以此方式,当存在可获得的准备好的冷空气供应时,该***通过使空调器较少运转而显著节省了能量。应理解的是,尽管上述实例描述了冷却,但是如果需要的话,该相同***可以起到加热的作用。例如,如果需要加热,该***可以从高层抽吸热空气用于循环到下层。
在一些实施方式中,每个区域具有回风通风孔和送风通风孔,但是在其他实施方式中,通风孔可以由送风管道和回风管道共享。例如,微域中的一个通风孔可具有将其连接至空气处理器的两个气流路径,一个用于排出并且另一个用于供应。一个或多个智能管道然后打开或关闭以允许气流经由一个路径流动,而不是另一个路径。
在另一实例中,建筑北侧的办公空间在下午可能自然地比具有朝南窗户的会议室更冷。具有设置为冷却的HVAC的微域***可以打开通向会议室的一个或多个智能管道,同时关闭通向建筑北侧的办公空间的一个或多个智能管道。实际上,这在办公空间中创建了利用单个控制器工作的微域,但是它的温度可以独立于其他微域进行控制。微域***可以可替换地从建筑北侧的办公空间吸收冷空气,以便进行进一步冷却或者排放到会议室中以使其冷却。
本发明的智能管道可以与目前可用的HVAC通风管道相似地制造,并且因此可以容易地与现有HVAC***兼容。在一些实施方式中,智能管道可以由钢或铝制成,但是也可以使用其他材料,诸如,塑料。智能管道可以制成任何大小或形状,并且可以制成与目前可用的HVAC***中的现有管道互锁。管道大小包括但不限于4”的圆形、20”的圆形、10x14”的长方形、12x12”的长方形、10x22”的长方形等。智能管道可包括由一个或多个致动器控制并且被配置为缩小或增大气流的一个或多个节气阀。在一些实施方式中,节气阀将由与包围管道相同的材料制成,或者可以可替换地由不同的材料制成。节气阀可以是基本上圆形的、基本上长方形的、或者根据情况是任何其他形状以便允许和限制气流通过智能管道。在一些实施方式中,智能管道可包括弹簧,该弹簧连接至节气阀并且被配置为将节气阀驱动到默认位置中,例如,被配置为在没有由电机施加的力的情况下驱动节气阀基本上打开或基本上关闭。在一些实施方式中,智能管道进一步包括止挡件(例如,布置在管道的内表面上的机械止挡件),该止挡件被配置为阻止节气阀在给定方向上进一步旋转。在一些实施方式中,弹簧被配置为相对止挡件驱动节气阀。在其他实施方式中,节气阀可以例如通过步进电机、或者一些其他电机或当不施加电力时保持节气阀的位置的机械装置来控制。
本发明的智能管道可以在任何目前可用的管道部件之后模制,包括但不限于连接两个分离的管道的连接器管道、被配置为促进从静压箱或HVAC箱过渡至圆形空气管道的起始颈圈管道、鞍状输出(saddle take off)、侧部输出、顶部输出或任何其他管道部件。
致动器可以是适用于将节气阀移动到位的任何致动器,包括但不限于电机或螺线管。致动器可以具有任何大小、形状、速度或额定功率。在一些实施方式中,致动器可包括用于增加扭矩的传动***。在一些实施方式中,致动器被配置为将节气阀驱动至基本上闭合的位置(限制通过管道的气流)或基本上打开的位置(允许空气自由流动通过管道)。在其他实施方式中,致动器可以被配置为将节气阀另外保持在一个或多个局部闭合位置中,以便允许不同程度的限制气流通过管道。在一些实施方式中,致动节气阀可以被配置为当断开电力时自动关闭。
本发明的智能管道可以进一步包括一个或多个微控制器、微处理器或其他处理装置。微控制器可以响应于从控制器接收的指令控制用于节气阀的致动器,并且可以另外从布置在智能管道上或智能管道周围的一个或多个传感器收集数据。智能管道可以使用的传感器包括但不限于气流传感器、空气质量传感器、温度传感器、湿度传感器和烟雾检测传感器。气流传感器可以配置为例如监测通过管道的气流以检测预期的空气量在流动。当调整气流满足用于管道或***的制造商规格时,气流传感器还可以用作反馈件。
空气质量传感器可以用于例如检测和报告流动通过管道的空气的质量。空气质量传感器可以用于通知用户空气质量好坏,并且可以进一步用于例如表示应该何时替换HVAC***的进气口中的空气过滤器。温度传感器可以用于检测流动通过管道的空气的温度。例如,这可以有助于确定加热或冷却元件是否提供适当温度的排气,并且还可以用于确定是否有火灾或其他加热事件。在一个实施方式中,如果智能管道检测到表示附近有火灾的很高的温度,则智能管道将关闭以便减缓火灾蔓延。类似地,烟雾传感器可以布置在管道中以检测烟雾的存在,并且智能管道可以被配置为当检测到烟雾时自动关闭,以便不使烟雾循环到HVAC区域中的其他区域。最后,本发明的湿度传感器可以被配置为检测通过管道流动的空气的湿度。湿度信息然后可以用于通知用户湿度或者与其他***交互以调整再循环空气的湿度。
本发明的智能管道可以进一步包括一个或多个无线电或有线连接,它们被配置为与控制器、网络中心、恒温器、智能电话、互联网、远程控制计算机***或其他智能管道通信。在一些实施方式中,每个智能管道用作用于其他智能管道的无线信号的中继器,允许形成网状网络并且延伸智能管道可以从控制器、网络中心、恒温器或互联网网关布置的范围。发送至智能管道或从智能管道接收的示例性通信消息包括但不限于传感器读数和控制信号以便引导节气阀打开或关闭。
本发明的***使用的智能管道的实例包括智能送风管道、智能回风管道、智能旁通管道、智能烟雾管道和智能火灾管道。例如,智能送风管道可以用于将空气从HVAC***智能分配至需要加温或冷却空气的空间。与其他智能管道一起工作,每个送风管道可以动态控制进行至每个微域的空气的流动,冷却或加热需要空气的微域并且抑制多余的气流进入不需要空气的任何微域中。例如,如果住房具有两层并且当HVAC处于冷却模式时顶层比底层更暖和,智能送风管道可以限制冷气流进入底层并且打开进入顶层的气流。这将更有效地冷却住房并且更好地均衡整个住房的温度。
智能回风管道智能控制气流进入到HVAC***中。在一个实例中,住房的顶层中的空气比底层中的空气更热,并且HVAC被设置为冷却。在这个实例中,智能回风管道可以智能地选择从底层抽吸空气,并且与智能送风管道一起工作,将其排放至顶层以帮助节省能量并且更有效地均衡整个住房的温度。
智能旁通管道允许将送风引导至HVAC***的回风端。HVAC制造商需要以cfm(每分钟立方英尺)计的适当气流以保证HVAC***的正常运行。智能旁通管道可以用于帮助控制这个气流并且允许空气的更高效的冷却或加热,因为已经加热或冷却的空气直接返回到HVAC***中用于进一步加热或冷却。智能旁通管道还可以通过测量智能送风管道中的气流而被智能控制。例如,如果智能送风管道未检测到针对制造商规格的足够气流,则一个或多个智能旁通管道可以打开或调整为促进适当气流通过HVAC***。
智能烟雾管道具有检测通过管道的空气中的烟雾的存在的烟雾检测传感器。一旦检测到大量烟雾,智能烟雾管道关闭,防止含烟雾的回风或送风进入HVAC***中或流到HVAC***外。类似地,智能火灾管道具有读取流动通过管道的空气的温度的温度传感器。当智能火灾管道检测到极高温度时,智能火灾管道关闭,防止含火的回风或送风或极热空气通过HVAC***或到达HVAC区域。
现在参考图1,示出了住宅微域HVAC***的示例性示图。HVAC***101被布置在住房的阁楼或顶层中,流体连接至回风静压箱102和送风静压箱103。智能回风管道104和105分别调节从(布置在房间110和113中的)通风孔116和通风孔119进入到回风静压箱102中的流动。智能送风管道107调节从送风静压箱103分别进入到位于房间109和111中的通风孔115和117的流动。类似地,智能送风管道108调节从送风静压箱103分别进入到布置在房间112和114中的通风孔118和120中的流动。在图1中示出的***进一步包括智能旁通管道106,当打开时,该智能旁通管道允许一些空气从送风静压箱103再循环到回风静压箱102中。在示例性实施方式中,该***由包括有恒温器122的控制器进行控制,而且从布置在房屋中的其他房间中的传感器121、123、124和125收集数据。以此方式,尽管该房屋通常将仅包括单个HVAC区域,但是微域控制***和智能管道的添加允许房屋被分为几个独立控制的微域。
现在参考图2,在俯视图中示出了商用微域HVAC***的示例性示图。恒温器201布置为靠近办公室的前部,但是几个传感器202、204、206、208、210和212位于贯穿办公空间的房间中。在这个实施方式中,智能管道203、205、207、209、211、213和214是所有智能送风管道,因为HVAC***本身位于该建筑的其他地方。在图2的实例中,多个智能管道打开和关闭以根据通过各个传感器测量的温度允许或限制将空气供应到各个办公室和房间中。图2的***中的一些或所有智能管道可以流体连接至中央管道221,和/或可以可替换地流体连接至变风量(VAV)空气处理器或VAV箱。
参考图3,示出了本发明的***的连接线路图。在这个示例性实施方式中,微域***包括两个传感器303和两个智能管道301。每个传感器和智能管道经由无线连接部分304连接至恒温器302。
可以参考图4说明两个示例性情况下的微域***的行为。在第一种情况下,住房121和123的二层上的传感器检测到二层比住房的一层更暖和,并且该***被设置为冷却(即,将整个住房中的温度维持在设定阈值以下)。在这个第一实例中,微域***使用二层的回风通风孔116(通过打开智能管道105)从住房的二层吸引空气(在住房的二层,传感器122检测到空气更暖和)。来自回风通风孔116的空气被吸引到回风静压箱102和HVAC***101中,其中,使用送风通风孔115和117冷却该空气并且将其供应至房间109和111。在这个实例中,一层的智能回风管道104和一层的智能送风管道108都被关闭,因为一层已经处于期望温度。打开智能旁通管道106可以进一步增加***效率,因为空气经由多次往返通过HVAC单元101而进行进一步冷却。以此方式,微域***通过仅冷却需要冷却的那些区域而不使整个房屋冷却来使得住房更有效地冷却。
在第二种情况下,住房的二层比房屋的一层更暖和,但是该***被设置为加热(即,将整个住房中的温度维持在设定阈值以上)。在该第二实例中,微域***使用二层回风通风孔116(通过打开二层智能回风管道105)和一层回风通风孔119(通过打开一层智能回风管道104)从住房的二层和/或一层吸引空气。空气然后使用送风通风孔118和120(通过打开一层智能送风管道108)通过HVAC单元101加热并且被供应至一层的房间112和114。智能送风管道107被关闭,以致没有来自送风静压箱103的送风分给顶层房间109和111,因为那些房间已经暖和了。还可以打开智能旁通管道106以增加HVAC***的效率。以此方式,微域***将整个住房更有效地加热至统一温度。
可以参考图5示出两个其他实例。在第一实例中,房屋东侧的房间111和114比房屋西侧的房间109和112更暖和,并且该***被设置为冷却。在这个实例中,通过打开智能回风管道104和105从一层和二层的回风通风孔116和119吸引空气。空气通过送风通风孔117和120通过打开智能送风管道508和527被吸引到HVAC***101中,在该***中空气被冷却并供应至房间111和114。智能送风管道507和526被关闭,防止冷却空气流动到朝西的房间109和112中。因此,该***能够通过仅冷却太暖和的那些房间进行更有效地操作。
在第二实例中,房屋东侧的房间111和114比房屋西侧的房间109和112更暖和,并且该***被设置为加热。在这个实例中,该***使用一层和二层的回风通风孔116和119从住房的一层和二层吸引空气。空气通过送风通风孔115和118通过打开智能送风管道507和526在HVAC***101中加热并供应至房间109和112。智能送风管道508和527被关闭,意味着没有加热的空气将流向已经足够暖和的房间111和114。
可以参考图6示出商业应用的两个其他实例。在***被设置为冷却的所描述实例中,微域***将空气返回至温度比恒温器设定温度更暖和的房间。将关闭通向接近或在恒温器设定温度以下的房间的管道以将温度维持在接近或在恒温器设定温度以下。
在第一实例中,朝北的房间614、615和616比朝南的房间617和619更暖和,并且房间620具有接近恒温器设定温度的温度。在一般的办公环境中,在办公室内不存在回风通风孔或回风管道。通过关闭温度等于或低于设定温度的送风管道,可以实现更高水平的效率。因为如通过传感器202、206和208测量的朝北房间比期望温度更暖和,因此打开通向那些房间的智能送风管道203、207和209以允许冷却的空气进入到房间中。因为如通过传感器4和12检测到的房间617和619已经足够冷却,因此微域***关闭智能送风管道205和213以防止来自中央管道或VAV 221的冷却的空气使房间617和619进一步冷却。还关闭通向房间620的智能送风管道214,因为房间620中的温度接近期望的温度。如果这些房间中的任一个中的温度增加到期望温度以上,则打开通向那些房间的对应的智能送风管道,以便使房间冷却直到达到期望温度。以此方式,微域***能够动态控制每个微域中的温度。
在***被设置为加热的第二实例中,微域***将空气供应至温度比恒温器设定温度更冷却的房间。将关闭通向接近或在恒温器设定温度以上的房间的管道以将温度维持在接近或在恒温器设定温度以上。第二实例中的朝北的房间614、615和616比朝南的房间617和619更冷并且房间620具有接近恒温器设定温度的温度。打开通向房间614、615和616的智能送风管道203、207和209以允许更暖和的空气进入到房间中。关闭通向房间617和619的智能送风管道205和213以防止较暖和的空气使房间进一步暖和。还关闭通向房间620的智能送风管道214,因为该温度接近期望温度。如果这些房间中的任一个中的温度降低到期望温度以下,则打开通向那些房间的智能送风管道,以便使房间暖和直到达到期望温度。
本发明的微域***可以进一步包括变风量(VAV)空气处理器或VAV箱。在一些HVAC***中,特别是多单元HVAC***,单个大型HVAC单元用于将调节的空气提供至建筑的多个区域中。本发明的一些实施方式除了HVAC单元之外还包括VAV箱,同时在其他实施方式中,为了本发明的目的(例如,提供调节的空气、消耗没有调节的空气)通过HVAC单元以其他方式执行的一些或所有功能取代地通过VAV箱进行有效执行。在一些实施方式中,VAV箱通过控制器进行控制,而在其他实施方式中,VAV箱独立于本发明的***进行控制。
现在参考图7,示出了本发明的智能管道的示例性示图。主要结构由管道外壳701限定,在这个实例中,管道外壳是圆形的但是还可以是适用于其他管道的任何其他形状。基于管道外壳701的内轮廓,节气阀702有利地具有基本上相同的形状和大小,以致当节气阀702处于完全闭合的位置中时,它基本上阻断通过智能管道的所有气流。节气阀通过致动器组件703控制,在描述的实例中,致动器组件通过将节气阀旋转到打开或闭合位置中进行操作。致动器通过控制器704控制,在一些实施方式中,该控制器包括PCB,该PCB包括微控制器和无线通信装置。控制器704可以从该建筑内的现有电线供电,或者可以可替换地包括用于给自身和致动器组件供电的电池。
现在参考图8,示出了布置在房屋内的示例性示图。智能管道804和805流体连接至回风静压箱802,并且因此控制回风供应至HVAC***。智能管道806、807和808流体连接至送风静压箱803,并且因此控制来自HVAC单元801的送风的分配。每个智能管道可以控制通向一个房间或多个房间的气流。例如,智能管道808控制送风仅流向房间812中的通风孔,然而智能管道807控制送风流向房间813和815这两者。智能管道809是智能旁通管道,允许送风再循环回到回风静压箱。
图9中示出了智能管道布局的详图。控制空气通过智能回风管道907流到回风静压箱902中。HVAC 903然后使空气加热或冷却(或者在不冷却或加热空气的情况下使用HVAC的风扇设置移动空气)并且将空气送至送风静压箱904。从那里,智能旁通管道909和智能送风管道908控制(加热的、冷却的、或没有加热或冷却的)空气流向各个微域和/或住房或办公室的房间。
参考图10,示出了示例性智能管道***的线路图。智能管道1005、1006和1007作为HVAC***1001的一部分安装。智能管道和传感器1003通信连接至作为控制器的恒温器1002。智能管道、传感器和恒温器经由连接部分1004彼此连接,一些或所有连接部分可以是有线或无线连接。
图11A至图11D示出了本发明的各种控制算法。现在参考图11A,在一组微域中具有送风通风孔和管道的***中,每个微域可以独立执行描述的算法。首先,在步骤1101中,该***将基于恒温器中的设置决定HVAC是否加热或冷却。如果***被设置为冷却,则微域将Tsensor(即布置在微域内的传感器测量的温度)与Tset(即在恒温器处或主HVAC控制***内的温度设置)进行比较(步骤1102)。如果Tsensor>Tset,则控制器将打开进入到微域中的送风管道(步骤1104)。否则,控制器将关闭该送风管道(步骤1105)。在示图的加热侧示出了对应的相反行为。通过在每个微域中独立执行这些步骤,具有多个微域的建筑可以通过将调节的空气仅引导至需要它的建筑的那些区域来节约能量。
现在参考图11B,示出了交替算法,适用于其中每个微域具有送风和回风通风孔和管道的***,或者具有连接至送风和回风管道且因此可用作送风或回风通风孔的单个通风孔的***中。决策树与图11A的相似,但是在图11B中,在Tsensor>Tset的情况下,打开送风管道并且关闭回风管道(步骤1114)。在Tsensor<=Tset的情况下,关闭送风管道和打开回风管道(步骤1115)。HVAC***因此可以从建筑的已经是冷却的那些区域吸收回风,在HVAC***中使其进一步冷却下来,并且将冷却的空气供应至建筑的热的区域。较热的房间因此将更快地冷却下来,导致节省能量、时间和成本。
现在参考图11C,示出了示例性旁通管道算法。在一些实施方式中,图11C的旁通管道算法可以与图11A、图11B或图11D的管道控制算法并行运行。在步骤1121中,旁通管道算法首先检查以确定通过HVAC***的气流是否充足。如果充足,则旁通管道1123将关闭。如果气流不充足,则旁通管道1122将打开,使一些送风再循环回到HVAC单元的回风静压箱中。
现在参考图11D,示出了用于节省能量的交替算法,其中,建筑在各个微域之中具有较大温差。在图11D的算法中,控制器测量(分别地,房间1和2中的)温度T1和T2,并且将这两个测量值与Tset进行比较。如果T1>=Tset(步骤1131),并且T2<Tset(步骤1132),则意味着房间1比设定温度更热,但是房间2比设定温度更冷。在步骤1133中,该***然后如所描述地重新分配微域之中的空气,关闭房间1中的回风并打开送风,同时关闭房间2中的送风并打开回风,并且打开HVAC风扇。有利地,微域***可以使用这个方法仅利用风扇使房间冷却,使用比为空调单元的压缩器供电所需的更少的电力。和其他算法类似,简单地通过颠倒步骤1131和1132中的比较的符号,图11D的算法还可以用于通过重新分配来自较暖和的房间的空气来加热比设定温度更冷的空间。
本文中引用的每一件专利、专利申请和公开的公开内容通过引证将其全部内容结合于本文中。尽管已经参考特定实施方式公开了本发明,但显而易见的是,在不偏离本发明的真正精神和范围的情况下,本领域中的技术人员可以设计本发明的其他实施方式和变形。所附权利要求旨在解释为包括所有这些实施方式和等效变形。
Claims (10)
1.一种智能空气管理***,包括:
HVAC单元;
智能管道,包括流体连接至所述HVAC单元的机电致动的节气阀;
电源,连接至所述智能管道;
控制器,通信连接至所述智能管道以及布置在房间中的至少一个房间传感器;以及
通风孔,流体连接至所述智能管道并且布置在所述房间中;
其中,所述控制器被配置为响应于来自所述至少一个房间传感器的测量而打开和关闭所述机电致动的节气阀。
2.根据权利要求1所述的智能空气管理***,进一步包括布置在所述管道内并且通信连接至所述控制器的至少一个管道传感器。
3.根据权利要求1所述的智能空气管理***,包括:
送风静压箱,流体连接至所述HVAC单元;
回风静压箱,流体连接至所述HVAC单元;
智能送风管道,流体连接至所述送风静压箱和所述通风孔;以及
智能回风管道,流体连接至所述回风静压箱和所述通风孔;
其中,当所述智能回风管道打开时所述通风孔能够用作回风通风孔,或者当所述智能送风管道打开时所述通风孔能够用作送风通风孔。
4.根据权利要求1所述的智能空气管理***,进一步包括VAV空气处理器。
5.一种控制多房间结构中的房间温度的方法,所述方法包括以下步骤:
从第一房间中的传感器获得第一房间温度测量;
从第二房间中的传感器获得第二房间温度测量;
激活HVAC单元以改变流动通过所述HVAC单元的空气的温度;
打开流体连接至所述第一房间的第一智能管道中的第一节气阀;
关闭流体连接至所述第二房间的第二智能管道中的第二节气阀;以及
迫使一定量的空气通过所述HVAC单元和所述第一智能管道进入到所述第一房间中,使得所关闭的所述第二节气阀基本上阻断进入到所述第二房间中的所有气流。
6.根据权利要求5所述的方法,进一步包括以下步骤:
从布置在所述第一智能管道内的气流传感器获得管道气流测量;
将所述管道气流测量与预期的第一管道气流水平进行比较;并且
如果所述管道气流测量小于所述预期的第一管道气流水平,则打开流体连接至所述HVAC单元的进气口的智能旁通管道。
7.一种控制多房间结构中的房间温度的方法,包括以下步骤:
从第一房间中的传感器获得第一房间温度测量;
从第二房间中的传感器获得第二房间温度测量;
获得期望的阈值空气温度;
激活风扇以使空气移动通过HVAC单元;
打开流体连接至所述第一房间的第一智能管道中的第一节气阀;
打开流体连接至所述第二房间的第二智能管道中的第二节气阀;以及
当所述第一房间温度测量满足所述期望的阈值空气温度并且所述第二房间温度测量不满足所述期望的阈值空气温度时,迫使一定量的空气从所述第一房间通过所述HVAC单元进入到所述第二房间中。
8.一种智能管道,包括:
进口;
出口;
节气阀,布置在所述进口和所述出口之间;
机电致动器,被配置为打开和关闭所述节气阀;以及
控制器,被配置为操作所述机电致动器并检索来自传感器的测量,并且经由通信信道接收来自中央HVAC控制器的指令。
9.根据权利要求8所述的智能管道,进一步包括所述传感器,所述传感器被配置为监测所述智能管道内的至少一个空气参数。
10.根据权利要求8所述的智能管道,其中,所述节气阀基本上是圆形的并且所述致动器被配置为使所述节气阀旋转以使所述节气阀打开和关闭。
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