통합 HVACR 및 다른 에너지 효율 및 수요 반응에 대한 시스템 및 장치{SYSTEM AND APPARATUS FOR INTEGRATED HVACR AND OTHER ENERGY EFFICIENCY AND DEMAND RESPONSE}

본 출원은 35 USC §119(e)에 따라 2013년 3월 15일자로 출원된 선행 미국 가특허 출원 제61/799,501호에 기초하여 우선권을 주장하며, 이 미국 출원은 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 전동 제어 시스템(electrically powered control system)을 통해 제어되는 가스, 오일, 및 프로판 연소 난방 장비를 비롯한, 전기적으로 제어되는 에너지 소비 장비를 자동으로 제어하고 최적화하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 장치를 포함하는 난방, 환기, 공조, 및 냉장 장비 시스템 및 이러한 시스템에서 본 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.

난방, 환기, 공조 및/또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning and/or refrigeration)("HVACR" 또는 "HVAC&R") 제어 시스템은 온도 조절 및 제습이라는 2가지 주요 기능을 수행하도록 설계되어 왔다. 탄소 발자국(carbon footprint) 및 녹색 기술에 대한 관심의 증가로, 보다 효율적인 냉매, 가변 속도 압축기 및 팬, 사이클 수정, 그리고 보다 효율적인 버너(burner)를 비롯한, 수많은 에너지 관련 개선들에 이르게 되었다. 이들 개선 중 일부가 새로운 HVAC&R 장비의 많은 유닛들에서 발견될 수 있지만, 대규모로 설치된 이전의 기존 장비가 여전히 운영 중이지만, 종종 이들 에너지 관련 개선을 개량 개선(retrofit improvement)으로서 이용할 수 없다.

에너지 사용량에 관한 통상의 개량 기술은 설정점 감축(setpoint curtailment), 온도 예측, 장비 스테이징(equipment staging), 가변 속도 팬, 버너(burner), 및 압축기, 그리고 타이머 기반 대신에 폐루프 부하 감지와 같은 방법을 포함한다. 이들 방법으로 기존의 설비들을 개량하는 일은 종종 어려운데, 그 이유는 그 방법들이 HVAC&R 장비, 구성, 및 설치 상세에 크게 의존하기 때문이다. 종래의 에너지 절감 방법을 기존의 HVAC&R 시스템에 추가하는 것은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸릴 수 있다.

미국 특허 제5,687,139호 및 제5,426,620호(Budney '139 및 '620 특허)는, 부분적으로, 디지털 재순환 카운터(digital recycle counter)를 전기 부하의 제어 라인과 결합시키는, 전기 장비의 개개의 유닛들의 제어 신호 라인(표준 공조 유닛 상의 제어 신호 라인 등)에 있는 특수 제어 스위치에 관한 것이다. 광범위한 전동 장비에 대한 수요 제어를 제공하기 위한 사전 설정(pre-setting)들에서 제어 디바이스의 디지털 재순환 카운터가 사용된다. 전술한 Budney 특허들에 부가하여, 다수의 다른 특허들이 또한 HVAC&R 시스템 및 장비 전력 및 수요 제어 및 관리에 관련되어 있다. 이와 관련하여, 본 출원은 미국 특허 제5,426,620호(Budney), 제5,687,139호(Budney), 제7,177,728호(Gardner), 제5,735,134호(Sheng Liu 등), 제6,658,373호(Rossi 등), 제5,261,247호(Knezic 등), 제5,996,361호(Bessler 등), 제5,669,222호(Jaster 등), 및 제7,242,114호(Cannon 등) 각각의 전체 내용을 참고로 포함한다.

본 발명의 한 특징은 미리 정해진, (최적화 및 퍼지 논리 프로그램들을 통해) 학습된 설정들, 또는 디폴트 설정들을 보완하여 냉방 및 냉장 장비에서의 압축기 동작(가동 시간)을 최적화하고 그리고 또한 그로써 증발기에서의 열 전달을 개선시키기 위해 사용되는, 증기 압축 증발기 및/또는 다른 소스로부터의 피드백 신호들 그리고 어쩌면 다른 물리 신호들을 사용하여 제어되는 난방, 환기, 공조 및/또는 냉장(HVAC&R) 시스템에 대한 장치를 제공하는 것이다.

추가의 특징은 유사한 방식으로 가스, 오일 및 프로판 연소 난방 장비에서의 버너 동작을 최적화하고 또한 그로써 버너의 열 교환기를 통한 열 전달을 향상시킬 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

다른 특징은 압축 공기 또는 다른 가스 압축 동작들에서의 압축기 동작을 최적화하기 위해 사용될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 부가 특징들 및 장점들이 일부는 이하의 설명에 기재될 것이고, 일부는 설명으로부터 명백할 것이거나, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 수 있다. 본 발명의 목적들 및 다른 장점들은 설명 및 첨부된 청구범위에 상세히 언급된 요소들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 것이다.

이들 및 다른 장점들을 달성하기 위해, 그리고 본 발명의 목적들에 따라, 본 명세서에 구현되고 광의적으로 기술된 바와 같이 본 발명은 교류 전력 전류(alternating electrical power current)에 의해 작동되는 에너지 소비 장비의 부하 수요 및 동작을 자동으로 제어하고 관리하는 전자 제어기 장치에 관한 것으로서, 전자 제어기 장치는 a) 부하 유닛으로의 동작 전력의 흐름을 제어하는 부하 유닛 제어 스위치와 연결되는 제어 신호 라인과 직렬로 연결 가능하고, 제어 신호 라인을 열고 닫을 수 있는 제어기 스위치; b) 제어 신호 라인에서의 진동하는 제어 신호(oscillating control signal)의 진동 횟수(a count of oscillations)를 생성하는 카운터를 포함하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간(elapsed run time interval) 및 경과 유휴 시간 구간(elapsed idle time interval)을 규정할 수 있는 디지털 재순환 카운터(digital recycle counter); c) 실시간의 입력 인덱스를 제공하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간(elapsed run time interval) 및 경과 유휴 시간 구간(elapsed idle time interval)을 규정할 수 있는 디지털 타이머; d) 탐색 테이블 및 초기 디폴트 값들 중 적어도 하나를 포함하고, 부하 유닛이 서모스탯 부하(thermostatic load) 하에서 학습된 시간당 동작 사이클 수(learned number of cycles per hour of operation) 이하로 가동되도록 보장할 수 있는, 입력 정보를 분석하여 부하 유닛의 에너지 사용 및/또는 수요의 개선된 최적화를 위한 알고리즘들을 도출하는 학습 모듈; e) 공간의 온도 및/또는 부하 유닛의 부하 유닛 사이클에 관련된 적어도 하나의 물리 값을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서와 통신할 수 있는 외부 조절 디바이스(external conditioning device); 및 f) b), c), d) 및 e) 중 2개 이상으로부터 획득되는 입력 신호들 중에서 가장 높거나 가장 낮은 값을 선택하고 선택된 신호를 경매된 제어 신호(auctioneered control signal)로서 제어기 스위치로 출력할 수 있는 경매 제어 신호 디바이스를 포함하고, 부하 유닛으로부터의 피드백 신호들은 미리 정해진, 학습된 설정들 또는 디폴트 설정들을 보완하여 냉방 및 냉장 장비에서의 부하 유닛 동작(가동 시간)을 최적화하기 위해, 그리고 또한 그로써 증발기에서의 열 전달을 개선시키기 위해, 그리고 또한 유사한 방식으로 가스, 오일 및 프로판 연소 버너 동작 그리고 또한 압축 공기 또는 다른 가스 압축 동작을 최적화하기 위해 사용되도록 전자 제어기 장치에 의해 처리 가능하다.

본 발명은 또한 전술한 제어 장치, 서모스탯 또는 다른 제어 신호 소스, 그리고 전력 공급 선로에 연결되어 동작하는 적어도 하나의 HVAC&R 부하 유닛을 포함하는 난방, 환기, 공조 또는 냉장(HVAC&R) 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또한 전기로 작동되는 HVAC&R 부하 유닛의 부하 수요 및 동작을 자동으로 제어 및 관리하는 방법에 관한 것으로서, 본 방법은 부하 유닛에 대한 서모스탯 또는 다른 제어 신호 소스와 부하 유닛에 대한 장비 부하 제어 스위치 사이의 제어 신호 라인에 전술한 제어 장치를 전기적으로 연결시키는 단계를 포함한다.

이상의 전반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 둘 다가 예시적이고 설명적인 것에 불과하고 청구된 본 발명에 대한 추가 설명을 제공하기 위한 것임을 잘 알 것이다.

본 출원에 포함되어 그의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들의 일부를 예시하고, 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기 장치를 포함하는 HVAC&R 시스템의 블록/개략도.
도 2a는 정상 제어(암페어 및 시간) 하에서 설계 부하로 동작하는 4-유닛 공조 시스템의 동작을 나타낸 플롯이고, 도 2b는 건물 관리 시스템 하에서의 시뮬레이션을 나타내고, 본 발명의 일례에 따른 프로토타입 제어기 장치 하에서 동일한 4-유닛 공조 시스템의 동작을 나타내고, 동일한 부하(암페어 및 시간)에 대한 감소된 에너지 소비를 나타낸 플롯.
도 3a는 증기 압축 냉방 또는 냉장 시스템의 기본 구성요소들 및 열역학 사이클을 나타낸 라벨링된 다이어그램.
도 3b는 증기 압축 냉방 또는 냉장 시스템의 기계적 구성요소들을 나타낸 라벨링된 다이어그램.
도 4a 및 도 4b는 시판 중인 가스 연소 가정용 온수 보일러 버너의 동작(°F 및 시간)을 최적화함에 있어서의 본 발명의 프로토타입 예에 따른 제어기 장치의 시험 사용들을 나타낸 플롯.

본 발명은, 부분적으로, HVAC&R 시스템 또는 다른 전기적으로 제어되는 냉방 및/또는 난방 시스템, 및/또는 가스 압축 또는 압축 공기 시스템 등에서 자동 제어를 제공하는 전자 제어기 장치에 관한 것이다. 본 발명의 제어기 장치는 "에너지 효율/수요 제어 장치"라고 표시된, 도 1에서 파선 타원(1) 내에 둘러싸여 있는 유닛들을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, AC 전력이 AC 전력 계량기(2) - 그 위치에서의 전기 에너지 사용량 및 전기 에너지의 수요를 측정함 - 를 거쳐 전력 선로들(3)을 통해 공급된다. 부하 유닛 제어 스위치(4)를 통해, AC 전력이 에너지 소비 부하 유닛(5) - 제공된 예들에서, HVAC&R 압축기 또는 버너, 또는 가스 압축/압축 공기 압축기 - 에 공급된다. AC 전력은 또한 보조 장비 제어 스위치(7)를 통해 보조 장비(6)에도 공급될 수 있다.

타원(1) 내의 본 발명의 장치에서, 경매 CPU(auctioneering central processing unit)(8)는, 최적화 제어기 스위치(9)에 대한 경매된 최상의 최적화 신호를 결정함에 있어서, 다수의 소스들로부터 입력들을 수신한다. 도 1의 예시에서, 이들 입력은 디지털 재순환 카운터(10), 디지털 클록(11), 및 학습 모듈(12)을 포함한다. 학습 모듈(12)은, 차례로, 제조업체 데이터의 탐색 라이브러리(13)로부터 입력들 및 장비 에너지 최적화에 관련된 과거의 알고리즘적 입력들을 수신한다. 학습 모듈(12)은 또한 외부 조절 디바이스들(16)을 통해 조절되는, 센서들(15)[예컨대, 냉매 질량 유량(refrigerant mass flow rate) 센서, 온도 센서, 압력 센서 등]을 통해 획득되는 장비 동작 변수들에 관한 가동 중 데이터 집합(running set of data)을 포함하는, 동작 로그 모듈(14)로부터의 입력들을 수신한다. 로컬 또는 원격 입출력 사용자 인터페이스들(17)(예컨대, 서모스탯 또는 다른 제어 신호 소스)을 통해, 장치(1)가 조작될 수 있고, 그의 출력들 및 입력들을 볼 수 있다.

본 발명의 전자 제어기 장치에 의해, 증기 압축 증발기 또는 다른 소스로부터의 피드백 신호들 및 어쩌면 다른 물리 신호들이 미리 정해진, (최적화 및 퍼지 논리 프로그램들을 통해) 학습된, 또는 디폴트 설정들을 보완하여 냉방 및 냉장 장비에서의 압축기 동작(가동 시간)을 최적화하기 위해 그리고 또한 그로써 증발기에서의 열 전달을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 효과는 유닛에 대한 EER(Energy Efficiency Ratio), SEER(Seasonal Energy Efficiency Ratio), 및 COP(Coefficient of Performance)를 개선시키는 것일 수 있다. 또한, 전자 제어기 장치는 각종의 보조 명령 또는 다른 외부 시스템 신호들이 수요 반응(Demand Response) 및 "스마트 그리드(smart grid)" 기능을 달성하기 위해 이들 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 변경할 수 있게 할 수 있다. 이들 외부 명령 제어 신호들은, 다양한 레벨들(건물 섹터, 설비, 또는 전기 그리드 섹터)에서 전기 수요 감소를 가능하게 하기 위해, 외부 서모스탯 센서들을 통한 보호 하에서, 공조 또는 냉장 에너지 소비량의 극도로 제어된 "쓰로틀링 백(throttling back)"에 유용할 수 있다. 이 수요 제어기 장치 및 메커니즘은 또한, 상이한 메커니즘 및 열역학적 동작을 통해, 미국 특허 제7,177,728호에 나타낸 시스템들에 대한 개선과 같은, 연관된 설비에 대한 태양광 발전 전력(solar PV electrical power)의 설정된 할당의 신뢰성을 보장하는 데 그리고 공간 및 온수 난방(space and water heating) 및 프로세스 난방(process heating)을 위해 사용되는 것과 같은, 가스, 오일, 또는 프로판 연소 장비(연료 연소 난방)의 최적화를 가능하게 하는 데 유용할 수 있다. 연료 연소 난방 장비의 경우에, 보조 온도 또는 압력 감지 디바이스 또는 센서로부터의 피드백 신호들이 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 보완하여 연료 연소 난방 장비에서의 버너 동작(가동 시간)을 최적화하는 데 그리고 또한 그로써 버너 연소 공간에서 가열 매체(공기 또는 물)로의 열 전달을 개선시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 각종의 보조 명령 또는 다른 외부 시스템 신호들이 수요 반응 및 다른 기능을 달성하기 위해 이들 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 변경할 수 있게 하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 전자 제어기 장치는 전술한 '139 및 '260 Budney 특허들에 나타낸 것들과 같은, HVAC&R 시스템들에 대한 이전의 제어 장비에 비해 에너지 효율 및/또는 수요 제어에서 훨씬 더 개선들을 제공할 수 있다.

그에 부가하여, 인터넷 연결을 갖는 네트워크화된 건물 전체 제어 시스템들에서의 보안 문제들에 관한 최근의 걱정들이 있었다. 본 발명은, 인터넷 접속 가능 네트워킹을 필요로 함이 없이, 일원화된 HVAC&R 디바이스(unitary HVAC&R device)의 레벨에서 상당한 에너지 절감을 달성하는 훌륭한 "단일 지점 에너지 관리 시스템" 접근법을 제공한다.

그에 따라, 전자 제어기 장치는, 이하의 것들에서와 같이, 난방, 환기, 공조, 및 냉장(HVACR)에서 그리고 또한 프로세스 냉방 및 난방, 장비에서의 아주 광범위한 응용들에서, 이하의 것들 모두를 달성하는 데 아주 적합하다:

기본 열 사이클에서의 에너지 효율 개선,

선택적인 소프트 기동 회로(soft starting circuitry)를 포함한, 필수 압축기 단기 사이클링 방지 보호(Integral compressor anti-short-cycling protection) 및 다른 수명 연장 특징,

(전기 분배 네트워크, 또는 가스 또는 다른 화석 연료 분배 네트워크에 대해서도) 총 부하 분산 및 수요 감소,

세밀하게 제어 가능한 수요 반응 기능,

외부 명령 또는 시스템 신호들에 응답하여, 부가의 부하 감소 및 다른 기능[예컨대, 태양광 발전 어레이(PV Solar array) 최적화]을 달성하는 능력.

본 출원은 본 디바이스 및 제어 회로의 프로그래밍 둘 다에 관한 것이다. 이와 같이, 본 출원은 개량 디바이스(실시예)로서도 그리고 HVACR 및 어쩌면 다른 OEM(original equipment manufacturer)들에 의한 기존의 제어 회로에 대한 개선으로서도 이용될 수 있다. 제어 시스템의 제어 아키텍처에 알고리즘적으로 구현되는 경우, 이들 제어 시스템은

HVACR 유닛 레벨에, 건물 또는 캠퍼스 또는 더 큰 시스템의 레벨에 있을 수 있고; 그리고/또는

또한 유선 또는 무선 네트워크[즉, 건물 관리 시스템(building management system) 또는 에너지 관리 시스템(energy management system)(BMS/EMS)]의 일부일 수 있다.

개량 디바이스로서, 전자 제어기 장치는 아주 용도가 많은 HVAC&R "범용 스마트 노드"이다 - 광범위한 냉방, 냉장, 및 난방 장비에 대한 정상 상태 에너지 효율 개선을 달성할 수 있음; 격리된 또는 ISO 레벨 "스마트 그리드" 활동들에 대한 자동 또는 수동 수요 반응, 및 태양광 발전(PV Solar) 신뢰성 최적화 - 이 대부분은 비용이 많이 들고 어려운 유선 또는 무선 네트워킹이 필요하지 않음 -. 전자 제어기 장치는 도 1에 도시된 큰 타원에 둘러싸여 있는 모든 특징들을 포함하는 단일의 통합 디바이스로서 구현될 수 있거나, 제어기 장치는 본 명세서에 기술된 바와 같이 기능하기 위해 서로 연결되어 동작하는 몇 개의 상이한 부분들로서 구현될 수 있다. 제어기 장치는 신호 입력들 및 신호 출력들을 위한 표준 커넥터들(예컨대, 핀 단자 커넥터들 또는 다른 것들)을 포함할 수 있다.

냉방 또는 냉장 동작을 최적화하는 데 있어서의 동작

증기 압축 냉방/냉장(VCCR; vapor compression cooling/refrigeration) 유닛의 압축기(들)는 경매된 제어 신호에 따라 가동될 수 있고, 이 신호는, 또한 도 1의 다이어그램에 의해 도시된 바와 같이, 이하의 것들 중 더 짧은 것으로부터 도출될 수 있다:

a) 증기 압축 사이클에 있는 압축기가 기동될 때 카운트를 개시하는 디지털 재순환 카운터에 의해 또는 타이밍 카운터를 통해 규정되는, 경과 시간 구간,

b) 증발기 코일을 통한 냉매 질량 유량 또는 냉매 질량 유량에 대한 대리 변수(proxy variable)의, 초기 레벨로부터 그 레벨의 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 분율(fraction)로 또는 탐색 테이블로부터 획득된 임계 상대 레벨로의, 감소,

c) VCCR 유닛 사이클에서의 다른 감지된 물리 값의 변화, 또는

d) 연관된 서모스탯 감지 디바이스로부터의 서모스탯 충족 신호(thermostat-satisfied signal)의 수신.

VCCR 압축기들이 서모스탯 부하 하에서 하기의 시간당 동작 사이클 수 이하로 가동되도록 보장하는 제어 메커니즘과 대조하여 가동 시간들이 추가로 경매될 수 있다:

a) 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 수(예컨대, 시간당 6회), 또는

b) 탐색 테이블로부터 획득된 수.

경매된 제어 신호는 복수의 개별적인 제어 신호들 중 가장 높은 것 또는 가장 낮은 것을 선택하고 선택된 제어 신호에 따라 부하에 에너지를 공급하는 데 사용되는 회로 디바이스로부터 출력되는 신호일 수 있다. 제어 신호들을 경매하는 기법들은 이와 관련하여 사용하기 위해 적응될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제2,725,549호 및 제3,184,611호(그 전체가 참고로 본 명세서에 포함됨)를 참조하기 바란다.

이상의 다수의 비교/오류 신호들은 압축기 동작을 향상시키고, 기본적인 최적화 타이밍 제어 a)는 또한 네트워크 내의 전기 부하 다양성(즉, 동기화된 동작)을 보장한다. 이와 같이, 이 메커니즘은, 각각의 디바이스의 에너지 효율이 개선되면서, 유선 또는 무선 연결을 필요로 함이 없이 일군의 VCCR 디바이스들로부터의 전기 부하 피킹(electrical load peaking)을 감소시키거나 없앨 수 있다. 전기 네트워크 동작들에서의 이러한 2-레벨 개선(실시간 기반의, 개선된 유닛 레벨 에너지 효율 플러스 감소된 총 수요)은 이 개선 최적화 메커니즘에 의해 향상된다.

VCCR 압축기(들)는 앞서 기술한 방식에 따라 가동될 수 있고, 이어서 디바이스에 의해 유휴화(idled)될 수 있다. 유휴화 구간의 지속기간(duration of the idled interval)은 경매된 제어 신호에 따를 수 있고, 이 신호는 이하의 플로우차트에 의해서도 나타낸 바와 같이, 하기의 것들 중 더 긴 것으로부터 도출될 수 있다:

a) 증발기 코일 토출 온도의, 초기 레벨로부터 약간 더 높은 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 레벨(증발기에서 포화된 냉매 가스의 상태 변화 및 예열 후, 증가되는 과열(superheat); 즉, 상태 변화 후 대 단지 증가하는 과열)로의, 또는 탐색 테이블(예컨대, 압축기 단기 사이클링을 회피하기 위해 최소 유휴 시간에 관한 OEM 가이드라인으로부터 개발된 것)로부터 획득된 임계 상대 레벨로의, 증가.

b) 증기 압축 사이클에 있는 압축기가 정지할 때 카운트를 개시하는 디지털 재순환 카운터에 의해 또는 재순환 타이머를 통해 규정되는, 미리 설정된, 미리 도출된, 또는 학습된 경과 시간 구간(이하에서 추가로 살펴보는 바와 같이, 이들 시간 구간 모두는 단기 사이클링을 회피하기 위해 최소 "오프" 시간에 관한 압축기 OEM들로부터의 일련의 정보 및 발표들을 반영할 수 있음 - 따라서, 이 구간은 연관된 VCCR 유닛에 단기 사이클링 방지 보호를 추가할 수 있음 -),

c) VCCR 유닛 사이클에서의 다른 감지된 물리 값의 변화, 또는

d) 연관된 서모스탯 감지 디바이스로부터의 서모스탯 호출 신호(thermostat-call signal)의 수신.

가동 시간들에서와 같이, VCCR 압축기들이 서모스탯 부하 하에서 하기의 시간당 동작 사이클 수 이하로 가동되도록 보장하는 제어 메커니즘과 대조하여 VCCR 압축기 유휴 시간들이 추가로 경매될 수 있다:

a) 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 수(예컨대, 시간당 6회), 또는

b) 탐색 테이블로부터 획득된 수.

심야 운전 모드(night setback)를 갖는 프로그램 가능 서모스탯으로부터 신호의 수신 시에, 디바이스는 또한, 앞서 기술한 바와 같은 미리 설정된, 미리 도출된, 또는 학습된 경과 시간 구간들의 집합에 따라, 수요 반응(이하에서의 추가적인 설명을 또한 참조한다)에 대한 것과 유사한 방식으로 "오프" 압축기 사이클을 연장시키고 그리고/또는 압축기 "온" 사이클을 단축시킬 수 있을 것이다.

개량으로서 그리고 알고리즘적 형태로서 구현되는 디바이스는 주어진 VCCR 유닛 내의 다수의 스테이징된 압축기들을 동작시킬 수 있다.

단기 사이클링 방지를 갖는 디바이스의 최적화된 압축기 동작의 중요한 잠재적인 장점은 슬러깅(액체 냉매가 압축기 내로 들어가는 것) 그리고 또한 코일 결빙으로부터의 향상된 보호이고, 이에 대해서는 이하에서 기술한다. 그에 따라, VCCR에서 냉매의 충전이 증가될 수 있을 것이고, 따라서 시스템에서 더 많은 열 질량(thermal mass) 그리고 따라서 동일한 전기 정격에 대해 더 많은 냉각 용량(cooling capacity)을 제공한다.

디바이스의 다른 잠재적인 장점은 절약 장치(economizer) 동작의 향상이다. 절약 장치의 공통의 문제점은 습도 감지의 열화이며, 그 결과 너무 습한 공기가 공간 내로 들어온다 - 본 디바이스는 더 나은 제어를 제공함 -. 또 다른 잠재적인 장점은 디바이스가 응축기 팬 및 다른 보조 장비를 유휴화시키는 것의 VCCR 동작에 대한 효과를 평가하고 이어서 VCCR 동작 동안 간격을 두고 응축기 팬 및 다른 보조 장비도 유휴화시킬 수 있다는 것이다. 부가의 에너지 절감 이외에, 응축기 팬을 유휴화시키는 것은, 보다 높은 냉매 압력이 유지될 수 있게 하는 것에 의해, 열 전달을 개선시킬 수 있다.

게다가, 재순환 타이머 대 실시간 타이머의 사용과 관련하여, 상기 메커니즘은 타이머 또는 카운터를 재순환시키는(0부터 카운트하고 리셋하는) 디바이스를 필요로 한다. 타이머의 사용은, '139 및 '620 Budney 특허들에 나타낸 것과 같은, 디지털 재순환 카운터를 사용하는 시스템이 할 수 있는 것을 하지 않을 것이다.

전자 제어기 장치 또는 디바이스는 a) 전력 요구 없이 그리고 실시간 제어 입력들을 방해함이 없이 개별 압축기들의 사이클링을 최적화하는 것, b) 비용이 많이 드는 무선 또는 유선 제어를 필요로 함이 없이 일군의 압축기들을 의도적으로 비동기로 동작시키는 것, c) 세분화된 수요 반응 기능, 및 d) 저렴한 능동 또는 수동 주파수 트리거 방식 부하 차단(active or passive frequency-triggered load shedding)을 한꺼번에 할 수 있는 아주 저렴하고 훌륭한 방법을 제공한다. 어쩌면 하나 이상의 저렴한 주변 기기들을 갖는 올인원 베이스 유닛(base unit)을 제공한다.

재순환 타이머가 전자 제어기 장치에서 단독으로 사용되는 경우, 시스템 이점들 중 일부를 달성하는 것이 가능하지만, 다수의 전기(냉방 또는 냉장) 부하들 - 모두가 AC 전력 선로 주파수에 기초하는 디지털 재순환 카운터를 통해 최적화됨 - 로 이루어진 비동기 네트워크에서 명백할 수 있는, 전기 부하 동작의 시간상 분산이 보장되지 않을 것이다. 이 다양성은, 심지어 단일의 전기 동작 시스템, 예컨대, 다중 압축기 냉방 유닛 내에서도, 보일 수 있고 유용하다. 도 2a 및 도 2b는 이러한 비동기 네트워크 동작의, 단일의 전기 패널(electrical panel) 상에서 동작하는 4개의 대규모 공조 유닛들의 전류 소모(전기 계량기를 통해 보게 됨)에 대한 효과를 나타낸 것이다. 도 2a는 정상 제어(암페어 및 시간) 하에서 설계 부하로 동작하는 4-유닛 공조 시스템의 동작을 나타낸 것이고, 도 2b는 본 발명의 제어기 장치의 프로토타입의 제어 하에서 동일한 4-유닛 공조 시스템의 동작을 보여주는, 건물 관리 시스템 하에서의 제어된 시뮬레이션(암페어 및 시간)을 나타낸 것이다. 보다 구체적으로는, 도 2a 및 도 2b에서의 다이어그램들은 대규모 분배 센터 상의 4개의 대규모(40-50 톤) 패키지 A/C 유닛들을 작동시키는 전기 패널의 계량 이전/이후를 나타낸 것이고, 평균 수요가 약 80 암페어부터 약 60 암페어까지 움직이는 것(위상당 4개의 도체가 있기 때문에, 실제의 위상당 전류 소모는 4x로 나타내어져 있고; 따라서 평균 전류 소모가 위상당 약 320 암페어로부터 약 240 암페어로 떨어짐, 즉 25% 감소)을 명확히 나타내고 있다.

게다가, 본 출원에서 사용하기 위해 적응될 수 있는 종래의 온 사이클 타이머들과 관련하여, 그들은 처음에 조명에 대한 "RC" 회로의 일부로서 SSAC(이후 ABB SSAC)에 의해 개발되었다. 이 타이밍 제어 메커니즘은 신뢰할 수 없는 것으로 판명되었고, SSAC는 이어서 다양성 및 동기화를 위해 전력 선로 주파수 카운팅(powerline frequency counting)에 기대게 되었다. 이들은 제때에 그것을 할 수 없는데, 그 이유는 본 발명에서 구성된 것과 같이 HVACR 유닛에서 제어되고 있는 것이 실시간에 기초하여 동작하고 있지 않기 때문이다. 작업이 실시간 인덱싱으로 시작하고, 이어서 시간(JO)에 기초한 재순환 타이머로 넘어가지만, 이들은 여전히 원하는 동작을 가능하게 하지 않는다. 또한, 시간에 기초한 재순환 타이머에 의해, 압축기는 정전 후에, 접촉기(contactor)를 닫고 최적화 카운팅을 시작하기보다는, 전력이 다시 돌아올 때 시작한다. 그 결과, 압축기가 빨리 온 및 오프될 수 있고, 그를 단기 사이클링시킨다.

본 발명의 전술한 제어기 장치/디바이스의 일 실시예는, 기술자에 의해 일단 설치되면, 하기와 같은, 이상에서 전술한 최적화 설정점 옵션들 중 임의의 것 또는 전부를 특징으로 할 수 있다:

a) 미리 설정된/미리 도출된,

b) 실시간 과거 입력(real-time back-looking input)들 또는 처음 X 개의 장비 사이클에 걸친 학습 컴포넌트(learning component)에 기초하여 학습된 최적화,

c) 탐색 테이블로부터의 값들, 또는

d) 다른 설정점 소스들.

이와 같이, 장치/디바이스의 설치가 "설정(또는 "설치")후 자동 수행(set [or "install"] and forget)"으로서 특히 용이하게 된다. 미리 정해진 값 집합들은 공장으로부터 온 것일 수 있고, 디바이스가 유선 또는 무선 네트워크[즉, 건물 관리 시스템/에너지 관리 시스템(BMS/EMS)]의 일부인 경우, 이상의 a) 내지 d)의 값들이 변경되거나 무시(override)될 수 있다.

상이한 장비가 시행되어야 하는 상이한 시간 지연들 및 동작 파라미터들을 가질 수 있다는 점에서, VCCR 개량 디바이스로서의 실시예에서 설정점 조절의 유연성이 필요하다. 기존의 제어 아키텍처가 한계들을 가질 수 있기 때문에, 유연하지 않은 미리 설정된 최소치를 갖지 않는 것이 특히 중요하며; 예를 들어, 대규모 지열원 히트 펌프(large ground source heat pump)의 경우, 다양한 시간 지연들이 아주 짧은 증분적 유휴 기간(예컨대, 0.1 분의 OFF 기간)을 필요로 할 수 있지만, 유휴화된 총 시간은 2.8 분에 더 가까울 수 있다.

냉방 및 냉장 사이클에서의 디바이스의 동작 메커니즘

효과는 기본적인 증기 압축 냉방 사이클을 주로 다음과 같은 다수의 방식들로 개선시키는 것일 수 있다: (1) 증발기 열 전달을 보다 효율적이도록 만들고, 따라서 압축기 가동 시간의 분당 열 전달의 BTU를 증가시키는 것, (2) 코일 결빙을 대부분 없애는 것, (3) 압축기 모터 평균 온도를 감소시키는 것, (4) 윤활을 개선시키는 것, 및 (5) 단기 사이클링을 프로그램적으로 없애는 것. 도 3a 및 도 3b는 이하의 논의를 위해 참조된다. 간략히 말하면, 증기 압축 냉각 사이클은 대부분의 공조 장비 및 거의 모든 냉장 장비에 대한 기본적인 기술이다. 냉각 사이클 동작을 냉각 루프에서의 R-22(또는 R-410A 등) 냉매의 분자 레벨에서 생각하는 것이 유용하다. 냉각 사이클에 대한 양호한 설명은 Weston, Energy Conversion (Ch. 8, "Refrigeration and Air Conditioning," West Engineering - Series, 1992)에 기재되어 있으며, 도 3a 및 도 3b에 도시된 다이어그램들은 그에 기초하고 있다. 이하는 단계별 개요이다: (1) HVAC 유닛이 기동할 때, 압축기(A)는 증기 냉매가 냉각되는 영역(증기 냉매가 코일을 통해 지나갈 때 열을 얻음)에 있는 증발기 코일(B)을 빠져나갈 때 증기 냉매를 압축하는 작업을 한다. 도 3a에 도시된 바와 같은 증기 압축 사이클의 이상적인 온도-엔트로피 다이어그램에 나타낸 바와 같이, R-22의 과냉각된(subcooled)(비등점 이하의) 분자들은 비등(boiling) 시에 열을 흡수하여 약간 과열된(비등점 초과의) 증기로 된다. (2) 압축된 증기는 이어서 응축기(C)(압축된 증기는 응축기에서 응축되어 열을 버림)를 통해 지나가고, 이어서 (3) HVAC 유닛의 쓰로틀링 디바이스(throttling device)(D) - 보통 이들 프로젝트에서 예상되는 크기의 HVAC 유닛들에서, 열 팽창 밸브(thermal expansion valve)(TXV, TEV) 또는 전자 오리피스(electronic orifice) - 를 통해 지나간다. TXV의 일은 2개의 열 교환기(증발기 및 응축기) 사이에 압력차를 유지하기 위해 필요한 흐름 저항(flow resistance)을 제공하는 것이다. 이는 또한 응축기로부터 증발기로의 유량을 제어하는 역할을 한다(Weston, p. 284). 처음에, TXV는 활짝 열려 있고, 증발기를 통한 R-22의 흐름은 대체로 압축기의 펌핑 동작에 의해서만 제한된다. 그렇지만, HVAC 유닛이 가동되고 TXV가 닫힘에 따라, 증발기 및 압축기에서 2가지의 병행되는 연계된 현상들이 일어난다. 첫째, 증발기에 단위 시간당 더 적은 수의 R-22 분자들이 있고 - TXV의 더 큰 쓰로틀링으로 인한 것임 -, 따라서 증기로 비등할 수 있는 단위 시간당 더 적은 수의 분자들이 있으며, 따라서 압축기 가동 시간의 단위당 더 적은 냉각이 있게 된다. 둘째, 압축기는, 한편으로, 보다 높은 다운스트림 압력에 맞서 펌핑하고 있으며 - 기계적 측면에서, 더 많이 닫힌 밸브에 맞서 펌핑함 -, 따라서 냉각액의 체적을 전달하기 위해 더 많은 일을 해야 한다. 이것은 압축기 모터의 권선 가열의 증가를 가져올 수 있고, 이들 2가지 현상은 HVAC 장비에서 사용되는 아주 다양한 용적식 압축기 유형(positive-displacement compressor type)들에서 보이게 된다. 이 둘은, 단위 시간당 달성되는 냉각 대 냉각을 달성하기 위해 소비되는 전기 에너지의 면에서, 시스템 효율의 감소에 기여한다.

개량 유닛(retrofit unit)(RU)이 하는 것은 최적화된 시간 구간 - 이 동안 단위 시간당 최대량의 R-22가 기화되고 있음 - 동안 압축기를 가동시키고 이어서 단기 사이클링을 없애기 위해 OEM에 의해 지정된 시간 동안 압축기(냉각 사이클에서의 가장 큰 에너지 소비 요소)를 유휴화시키는 아주 유연한 방식을 제공한다. 이 OEM-지정 OFF 시간 - 전형적으로, 3 내지 4 분 정도에 불과함 - 동안, 보조 장비(송풍기 및 팬, 도 3b의 다이어그램에서 E 및 F)가 계속 동작하고 있기 때문에 냉각 및 제습이 계속된다. 증발기 코일이 약간 예열될 것이고, 하기의 2가지 유익한 효과들을 갖는다: (1) 초기 증발기 코일 결빙의 감소 - 첫 번째 결정 형성 층이 추가적인 코일 결빙에 아주 중요하고, 감소된 코일 결빙은 RU 설치의 큰 부수적인 이점임 -. (2) 압축기가 다시 기동되고 R-22가 다시 증발기 코일 내에 주입될 때, 약간 증가된 온도는 R-22의 증기로의 비등 속도, 따라서 단위 시간당 제거되는 난방 부하를 개선시킬 것이다.

열역학 제2 법칙은 (Weston, p. 271) "에너지(열)가 도움(즉, 시스템에 가해지는 일) 없이는 저온 영역에서 고온 영역으로 흐르지 않는다"는 것을 언급하고 있다. 증기 압축 냉각 사이클에서, 그 일은 압축기에 의해 수행되고, 따라서 압축기는 일반적으로 HVAC 유닛에서 가장 큰 에너지 소비 디바이스이다. 열이 증발기 코일(QL)에 의해 냉각된 공간으로부터 제거되고, 열이 응축기 코일(QH)을 통해 제거되며, 여기서 h(i)는 R-22 질량(파운드) "M"의 엔탈피(enthalpy)이고, 도 3a에서의 온도-엔트로피 다이어그램 상의 지점들(1, 2, 3, 4)에서의 질량 유량(파운드/시간) "m"은 다음과 같이 쓰여질 수 있다(예컨대, Weston, p. 281):

증발기 코일: QL/M = h1 - h4

응축기 코일: QH/M = h2 - h3

이 에너지 흐름을 야기하는 압축기 일(W)은 그러면 다음과 같이 QL 및 QH에 관련되어 있다:

QL + QH = W[단, QL 및 W(시스템으로의 에너지)는 0 미만임].

기간 "t"에 걸친, 증발기 코일 열 전달(단위: BTU)은 따라서 다음과 같이 주어질 수 있다:

QL = ∫(질량 흐름[파운드/시간]) * (h1[t]-h4[t]) * dt

= ∫ m(t) * dh(t) * dt

기간 "t"(계속됨)에 걸친, 증발기 코일 열 전달(단위: BTU):

QL = ∫(질량 흐름[파운드/시간]) * (h1[t]-h4[t]) * dt

= ∫ m(t) * dh(t) * dt

증발기 코일 열 전달에 대한 보다 상세한 주안점으로서:

1. TXV의 감지봉(sensing bulb)(D)은 지점 1에서 증발기(B)를 빠져나가는 R-22에서의 과열의 정도를 감지하고, 압축기에 들어가는 액체 R-22로부터의 압축기에 대한 손상을 피하기 위해, 압축기에 대한 과열된 증기의 장벽을 유지하기 위해 열리고 닫힌다.

2. 그렇지만, 코일에서 획득되는 너무 많은 과열은, 냉각을 제공하기 위해, 코일에서의 보다 적은 액체 R-22가 즉각 증기로 된다는 것을 의미한다 - R-22는 (R-22가 즉각 증기로 되는 것을 통해) 최대 냉각을 달성할 수 없으면서 코일의 마지막 부분을 통과한다 -. 이것은 RU-개량된 코일 및 비개량된 코일의 IR 사진에서 볼 수 있다 - 후자의 경우에, 코일의 토출 단부의 상당 부분이 적색임 -.

3. 또한, 보다 높은 과열은 압축기를 가열시키고, 그 결과 압축기 수명에 부정적 영향을 미친다. RU는 또한, 압축기 가동 시간을 최적화하는 것에 의해, 과열 조건의 최적화를 가능하게 한다 - 압축기 유휴 시간은 압축기 보호에서 과열을 보완하여, 압축기 안전성을 유지하면서 보다 낮은 과열을 가능하게 한다 -.

4. 그 결과, R-22 기화 대 과열 - 보다 높은 평균 질량 유량과 결합되어 있음 - 에 기여하는 보다 많은 표면적을 갖는 보다 차가운 코일은 열 전달(QL)이 유지된다는 것을 의미한다.

5. RU-개량된 대 "기준" A/C 유닛 동작의 시퀀스:

기준: 압축기는, TXV가 처음에 열린 상태에서 가동되고, 이어서 증발기와 응축기 사이에 ΔP를 유지하기 위해 닫힌다; 큰 과열,

RU: 압축기는 TXV가 열린 상태에서 가동되고, 이어서 TXV가 계속하여 닫혀짐에 따라, 압축기는 약 3 분 동안 유휴화되고 그 결과 지점 1에서 온도가 올라가고 압력이 올라가며(T↑P↑), 코일 내로의 R-22 질량 흐름을 증가시키기 위해 TXV가 다시 열린다; 압축기가 재기동될 때, 입구 R-22의 보다 높은 질량 흐름 및 보다 낮은 과냉각(subcooling), 플러스 출구에서의 감소된 과열의 결과, 열 전달이 향상된다.

6. 이와 같이, 기준 대 RU-개량된 열 전달:

QL (기준 사례) = ∫ m(t) * dh(t) * dt

↔

QL (RU) = ∫ m(t)↑ * dh(t) ↑* dt ↓.

이상의 설명에서의 마지막 수식이 나타내는 바와 같이, 향상된 질량 유량(m(t)) 및 엔탈피 변화(dh(t))의 기간 동안 압축기를 가동시키는 것 그리고 따라서 코일에서의 압축기 가동 시간의 단위당 열 전달은, 압축기 가동 시간이 감소될 때에도(dt), 코일에 의해 전달되는 총 열(QL)의 유지를 가능하게 한다.

이것이 바로 도 4a 및 도 4b에 기술된 제어된 실험실 테스트에서 보여지는 것이다. 개량 유닛(RU)은 압축기 유휴 기간 동안 보다 따뜻한 코일을 설정하고, 이는 더 많은 열을 얻을 수 있으며 따라서 더 많은 냉매가, 일단 다시 들어가면, 상태를 변경하게 할 수 있다.

이것은 전형적인 VCCR 구성과 반대이고, 이 구성에서는 압축기가 냉매를 통과시키기 위해 기동될 때 증발기 코일이 더 차갑고; 그에 따라, 냉매는 상태를 변화시키는 데(기화하는 데) 더 오래 걸리고, 기화가 - 냉매의 감지 가능한 온도의 예열 뿐만 아니라 - 열 제거의 주된 메커니즘이다. 코일이 RU에 의해 생성된 한계 내에서 따뜻할수록, 보다 낮은 평균 코일 온도를 통한 냉매 밀도의 관련 효과와 함께, 질량 상태 변화가 더 크다. 그리고, RU가 압축기만을 유휴화시키기 때문에, 실내로부터의 열이 코일에 계속 업로드되는 유익한 오프 기간 동안, 보조 장비(송풍기 및 팬)를 정상적으로 동작하게 둔다.

이들 현상은 또한 개량된 디바이스를 갖는 경우와 갖지 않는 경우에 VCCR 증발기들의 적외선 서모그래프(infrared thermography)에서 명확히 보이게 된다. 압축기 최적화의 동작은 압축기 코일의 더 많은 선형 표면이 기화의 잠열을 전달하는 데 참여할 수 있게 하는 것이다.

VCCR 동작에 대한 RU의 큰 부가 이점은 시스템 에너지 효율에 대한 주된 감소인 코일 결빙의 감소이다. 광범위한 경험적 연구 동안, 냉매 증발기 코일이 기동 후 성에가 끼기 시작하여, 이 프로세스에서, -40°F 미만의 가스와 80°F의 공기 사이에 절연 장벽을 구축할 때 동안 냉매 증발기 코일이 관찰되었다(외부 공기는 이와 같이 -40°F를 만나지 않고 오히려 32°F 얼음 온도를 만난다). 성에가 낀 코일은 엄청난 델타-T의 냉각 및 델타-T에 정비례하는 냉각 속도를 놓친다. 이러한 이유는 기생 가열(parasitic heating) 접근법[전기 저항 가열, 또는 고온 가스 바이패스(hot gas bypass)]이 전형적으로 거의 모든 냉장에서 그리고 많은 공조 장비에서 사용되기 때문이다.

증기 압축 사이클의 에너지 효율을 향상시키는 기존의 기술은 일반적으로 제어, 그리고, 특정의 피드백에서, 결함들 - 측정 시간 지연, 제어기 시간 지연을 바탕으로 동작하는 것 및 부가의 입력들을 추가하는 것 - 에 중점을 두고 있다. 기술된 디바이스는, 비교해 보면, 열 전달 사이클의 본질적인 열역학에 중점을 두고 있지만, 피드백 루프(서모스탯 제어)가 그대로 제어 상태로 유지된다. 그리고 이는 비동기 디지털 제어 네트워크 원리를 사용하는 방식으로 행해지고, 이는 또한 본 발명의 기술을 저렴하고 쉽게 설치 가능한 "스마트 그리드" 수요 반응 접근법으로서 탁월한 것으로 만든다.

수요 반응, 자동화된 수요 반응 및 부하 감소 기능을 달성하는 데 있어서의 디바이스의 동작 메커니즘

미국 및 다른 선진국들 - 그리고 세계의 빠르게 발전하는 경제에서 훨씬 더 그러함 - 에서, HVAC 판매의 주된 동인은, 심지어 선진국들의 일부에서도 수십년 동안 준사치품인 것으로 간주된, 에어컨을 일상 생활의 필수품으로서 채택하는 일이 점점 증가하고 있다는 것이다. 자연스럽게, 경제적 요인들과 함께, 보다 더운 기후 지역들은 이 경향을 더 강하게 나타낸다.

시장 채택에서의 이러한 변화는 이 새로운 냉각 부하 모두에 공급하기 위해 필요한 전기 네트워크에 강한 영향을 미쳐 왔다. 이 문제점은, 자연스럽게, 한 지역에서의 에어컨 부하들이 모두 동일한 때에 - 즉, 보통 오후 동안, 냉방 시설이 된 건물들이 오전 동안 태양 및 주변 공기로부터 에너지를 흡수할 때 - 피크에 이를 수 있다는 사실에 의해 악화된다. 아주 더운 날에, 특히 적절한 발전 설비 또는, 대안적으로, 그 지역 외부로부터 그 지역 내로 전력을 가져올 전송 용량이 없는 지역에서, 이 HVAC 피크 부하는 상당한 개인적 및 경제적 혼란을 야기하는 그리드 응급 상황, 정전, 및 윤번 정전(rolling blackout)을 가져올 수 있다.

도전과제의 표시로서, 2004년 - 2005년에 대한 뉴 잉글랜드 전기 그리드 운영자인 ISO New England로부터의 데이터는 뉴 잉글랜드 그리드에 대한 총 수요의 최고 피크가, 예상될 것인 바와 같이, 7월에 일어났다는 것을 보여주었다. 관심을 끄는 것은, 매년의 평균 수요 2004-2005는 2% 상승했지만, 피크 수요 - 이는 지역 발전 또는 수입된 전력에 의해 해결되어야 함 - 는 매년 11% 상승했다는 것이다. 그리고, ISO New England에 따르면, 이 새로운 피크 수요의 대부분이 에어컨에 대한 것이었다. 뉴 잉글랜드에서 사실인 것이 또한 캘리포니아주 및 미국의 나머지에서, 유럽, 인도, 중국에서, 그리고 세계의 다른 곳에서도 일어나고 있으며, 이 피크 수요는 종종 가장 비용이 많이 드는(그리고 개발도상국에서는, 종종 가장 더러운, 즉 오일 및 디젤) 전력 발생원에 의해 해결된다. CEC 데이터는, 톤/MWh(tons/MWh)를 기준으로, 온-피크(on-peak) 탄소 방출이 오프-피크(off-peak)보다 더 높다는 것을 명확히 보여준다.

전력 시설 및 그리드 운영자들은 A/C로부터의 피크 수요와 관련하여 다수의 전략들을 추구하고 있다. 수요 반응, 또는 자발적 감축, 프로그램들에서, 뜨거운 여름 날, 지역 전기 네트워크에 과부하가 걸리는 경우, 설비 소유자들은, 특정 조건들 하에서, 요청된 그의 건물들을 등록한다. 지역 전기 그리드 운영자에 의해 선언된 응급 상황에서, 수동으로 또는 특수한 원격 조작 제어들을 통해, 등록된 설비의 조명 및 A/C 장비의 일부가 정지되거나 부하가 감소되어, 그리드에 대한 전기 부하를 감소시킬 수 있다. 설비 소유자는, 부하를 감소시키도록 실제로 요청된 경우, 보통 감소된 전기 요율, "대기 지불(standby payment)", 및 부가의 지불의 일부 조합으로 지불을 받는다. 미국에서, 실제 감축 이벤트(actual curtailment event)는, 지역 그리드, 그의 공급/수요 균형, 및 날씨에 따라, 결코 일어나지 않거나, 여름에 몇 번 일어날 수 있다. 실제 감축 기간은 보통 이벤트 당일 오후에 4 내지 6 시간으로만 제한된다. 그렇지만, 현재 완화 장치(mitigator)로서의 DR은 여전히 통합 장애물, 시장 무시, 기술 배포의 어려움 및 비용, M&V 요구사항, 및 다른 인자들에 의해 방해된다. 디바이스가 많은 HVAC 장비를 "순동 예비력(spinning reserve)"의 상태(position)에 연결시킬 수 있는, 궁극적인 목표로서의 자동 수요 반응에 대해 언급한다. 이상적인 "스마트 그리드"는 건물들이 부하 차단을 행하는 상향식 완전 자동 기본 시스템이다.

Budney '139 특허에서 언급된 바와 같이, 알고리즘적 실시예 또는 RU로서의 디바이스는 개별적인 HVACR 유닛들 사이에 압축기 가동 사이클에 대한 전력 선로-주파수 기반 스태거링(powerline-frequency based staggering)을 가능하게 할 수 있다.

또한 Budney '139 특허에서 언급된 바와 같이, RU는, 능동 및/또는 수동 방식으로, 감지된 전력 선로 주파수의 변화에 기초하여, 공조 및 냉장 압축기 유닛들을 아주 유연하게 오프 연장(EXTEND-OFF)시킬 수 있다. 즉, RU는 또한 현재 기술에서의 "플러그 풀러(plug puller)" 기술보다 아주 우수한 방식으로 피크 기간 동안 A/C를 "쓰로틀 백(throttle back)"시키기 위해 아주 세분화된 수요 반응 기능을 달성할 수 있다. 능동 DR 동작에 대한 신호는 임의의 수의 방식들로, 예컨대, 전력 시설로부터 계량기로부터의 신호를 통해, 또는 DR 집계기를 통해, EMS, 인터넷 링크, 또는 무선 또는 셀룰러 네트워크를 통해 송신된 신호를 통해 릴레이될 수 있다.

이와 같이, RU 설치된 HVACR 장비는 저렴하고 쉽게 설치 가능하며 아주 유연한 부하 차단 프로그램의 일부일 수 있고, 그로써, 예컨대,

59.X Hz: "상업용 A" 부하 그룹은 오프 연장(EXTEND-OFF) 모드에 들어간다("상업용 A"는, 말하자면, 어떤 초과 용량을 갖는 또는 비임계 영역(non-critical area)에 있는 대규모 냉장 및 상업용 A/C 부하일 수 있음).

59.Y Hz: "상업용 B" 부하 그룹은 오프 연장(EXTEND-OFF) 모드에 들어간다.

RU 액추에이터로서 또는 시스템의 일부로서 구현된 디바이스는 또한 향상된 "레벨 2" 및 "레벨 3" 수요 반응 기능, 플러스 자동 수요 반응 기능을 달성할 수 있다. 이는 각종의 자동 및 감지된 조건들에서 연속적으로 가변적인 오프 연장(EXTEND OFF) 압축기 동작에 들어갈 수 있는 것을 통해 이것을 행한다. 수요 반응 기능은 다음과 같이 동작할 수 있다:

a) 레벨 2: 신호의 수신 시에, (다중 압축기 HVACR 유닛의) 1개의 압축기가 최대 6 시간 동안 오프 연장(EXTEND-OFF) 유휴화된다.

b) 레벨 3: (i) RU 유닛은 보통의 경우처럼 설치될 수 있고, 순환 공기 온도(return-air temperatures)가 미리 결정된 설정점을 초과하여 상승하는 경우, 압축기 가동 시간을 기본 가동(RUN) 설정을 넘어 연장시키기 위해 가동 연장(EXTEND-RUN) 온도 센서가 관련된 순환 공기 덕트 공기 흐름(return air duct airflow) 내로 배선된다. 디바이스는 HACR 유닛 전류 소모의 1 단계를 모니터링하는 전류 CT 및 순환 공기 덕트 온도를 모니터링하는 가동 연장(EXTEND-RUN) 온도 프로브를 갖추고 있을 수 있다. (ii) 정상 DR 유닛 동작 동안, RU 유닛은 압축기 효율 개선을 달성할 수 있고, 그 결과 10% 내지 20% 정도의 평균 수요 감소가 얻어진다. (iii) DR 조정 네트워크로부터 일련의 신호들에 대해:

1) DR 유닛은 먼저, DR 유닛의 제어 공간 온도를 1 내지 2°F만큼 감소시키기 위해, 간단한 "사전 냉각" 시퀀스에 들어갈 수 있고, 이어서 -

2) 요구된 30% 내지 40% 목표 평균 kW 감소를 달성하기에 충분한 구간들 동안 DR 유닛의 압축기들에의 에너지 공급을 끊기 위해, RU 유닛의 오프 연장(EXTEND-OFF) 특징을 사용하여 "DR" 시퀀스로 천이할 수 있다 - 아래 사항을 조건으로,

3) 온도가 순환 공기 덕트에서 전술한 80 내지 82°F 대역에 도달하는 경우, DR 유닛 압축기 가동 시간을 연장시킬 수 있는, RU 유닛 상의 가동 연장(EXTEND-RUN) 센서에 의해 제공되는 점유자 쾌적성 보호.

4) 적절한 신호들을 전달하는 것에 부가하여, 각각의 HVACR 유닛 상의 유닛은 라인 전류, 순환 공기 덕트 온도, 및 어느 질의 구간(querying interval)들이 요망되든 그 구간에 관한 상태 데이터를 전달할 수 있다.

(iv) 대안의 레벨 3 시퀀스:

A) RU는 옵션으로서 전기 계량기 및 에너지 모니터를 포함할 수 있다.

B) RU는 순환 공기 온도에 응답할 수 있고, 특정 값을 초과하여 제어를 실행하지 않기로 결정할 수 있다.

C) 전기 계량기가 하나의 유닛에서는 3 개의 상의 에너지 사용을 기록할 수 있고, 다른 유닛들에서는 단지 하나의 상의 에너지 사용을 기록할 수 있다.

D) 에너지 모니터는 전기 계량기로부터 펄스 입력을 받고, 전기 사용의 지각적 레지스터(perpetual register)를 유지할 수 있다.

E) 에너지 모니터 데이터는 매 15 분마다 무선 게이트웨이에 보고될 수 있다.

F) RU는 냉방 및 난방의 각각의 스테이지에 대한 동작 시간을 지각적 레지스터들에 기록할 수 있다.

G) RU는 또한 에너지 절감을 추정하기 위해 가동 시간과 비교될 수 있는 일별 온도(또는 시간별 온도)의 지각적 로그(perpetual log)를 유지하기 위해 실내 공기 및 외부 공기 온도의 로그를 생성할 수 있다.

H) RU 주변 기기는 또한 항상 리스닝(listening)하고 있는 라우터로서 기능할 수 있다.

I) 수요 반응이 이 시스템에 의해 다음과 같이 실행될 수 있다:

a1) 네트워크 코디네이터(network coordinator)는 "사전 냉각(Pre-cool)" 또는 "수요 반응" 명령을 발행할 수 있고,

a2) RU는 명령을 거의 실시간으로 들을 수 있고, 설정점을 프로그램된 대로 변경하는 것으로 반응할 수 있다.

a3) 에너지 모니터가 체크인(check in)할 때, 에너지 모니터는 "사전 냉각" 또는 "수요 반응" 명령을 수신할 수 있고, 다음과 같이 출력할 수 있다:

b1) "사전 냉각" 명령인 경우, "가동 연장(EXTEND-RUN)"하라는 페이스 제어기(Pace Controller)에 대한 신호로서 릴레이를 닫고,

b2) "수요 반응" 명령인 경우, "오프 연장(Extend-Off)"하라는 페이스 제어기에 대한 신호로서 릴레이를 닫으며,

a4) 각각의 "사전 냉각" 및 "수요 반응" 모드들의 시작 및 끝에서, RU 및 에너지 모니터는 그들의 레지스터 값들을 송신할 수 있고, 따라서 중앙 컴퓨터는 연장된 기간들에 걸쳐 범용 레지스터 사용과 별도로 이들 임계 기간 동안 그 값들을 기록할 수 있다.

수요 감소 및 할당에서: Gardner의 미국 특허 제7,177,728호에 기술된 에너지 관리 시스템을 사용하여, RU는 액추에이터로서 사용될 수 있을 것이다.

각각의 "사전 냉각" 및 "수요 반응" 모드들의 시작 및 끝에서, RU 및 에너지 모니터는 그들의 레지스터 값들을 송신할 수 있고, 따라서 중앙 컴퓨터는 연장된 기간들에 걸쳐 범용 레지스터 사용과 별도로 이들 임계 기간 동안 그 값들을 기록할 수 있다.

연료 연소 난방 사이클에서의 디바이스의 동작 메커니즘

가스, 오일, 및 프로판 연소 버너 제어 회로의 경우, 인용된 '139 및 '260 Budney 특허들에 기술된 장치에 대한 개선에 의해, 앞서 기술된 동일한 RU는, 냉방 및 냉장 장비에서의 버너 가동 시간을 최적화하기 위해, 온도 또는 압력 센서, 또는 다른 소스로부터 피드백 신호들을 수신할 수 있다.

난방 응용들에서, 본 디바이스는 본질적으로 덜 효율적인 버너를 보다 최신의 효율적인 "구간 연소(interval-fired)" 시스템으로 바꿀 수 있다. "표준 효율" 버너는 서모스탯 설정점을 충족시키기 위해 필요한 것보다, 더 긴 기간 동안, 더 높은 온도에 도달하기 위해 연장된 기간 동안 연소할 수 있다. 천연 가스 및 오일 난로는 800°F+의 온도에 도달하기 위해 플레넘(plenum)을 가열시켜, 열의 대부분을 배출시킬 수 있는 반면, 서모스탯은 훨씬 더 낮은, 아마도 70°F의 공기 온도, 또는 160°F의 물 온도에서 충족된다.

구간 연소 - 즉, 단위 시간당 연소 챔버 내로 연료를 더 불연속적으로 포팅(porting)하는 것 - 에 의해, "표준 효율"인 난방 장비(즉, 연료의 화학적 에너지의 약 80%를 유효 열로 변환시키는 버너 아키텍처를 가짐)의 90%에서 열 전달 효율의 상당한 개선이 이루어질 수 있다. 본 디바이스는, 이와 같이, 기존의 제어 아키텍처의 영역 내에서 그리고 모든 안전, 기동, 및 셧다운 메커니즘들을 유지한 채로, 연소 챔버 연료 이용률 및 열 전달의 개선을 가져온다. 냉방 응용들에 대해서와 동일한 방식으로, 연소 시퀀스(firing sequence) 프로그래밍은 시간당 사이클 수, 최소 사이클 시간, 및 다른 인자들에 대해 모든 적절한 보일러 OEM 가이드라인들을 따를 수 있다.

본 디바이스의 효과는 따라서, 그렇지 않았으면 축적해 올라가는 버너 연소에서의 폐열(wasted heat)을 감소시키면서 또한 응축 및 다른 인자들이 회피되도록 축적 조건들을 유지하는 것이다. 도 4a 및 도 4b는 실험실 테스트에 기초한 시판 중인 경량 가스 연소 가정용 온수 히터에 대한 본 디바이스의 효과를 나타낸 것이다. 데이터 로그는 일주일 떨어져 있는 일치하는 요일 및 시간의 기간들(목요일, 오후 12시-2시 30분) 동안 버너 연소 시간 그리고 또한 연소 챔버 온도에 대한 대용물로서 보일러 연료 배기 온도를 보여주고 있다. 도 4a의 그래프는 "오프라인" 시리즈에서의 보일러 연소를 5 회 나타내고 있고, 도 4b에는 온라인 시리즈에서의 (비록 더 짧지만) 정확히 동일한 수(5)의 연소 구간들 - 더 긴 "오프" 시간들로 나타낸 바와 같이, 보다 효율적인 연료 이용률(온수로 전달되는 열)을 가짐 - 이 나타내어져 있고, 모두가 여전히 서모스탯의 제어 하에 있다.

본 발명의 부가 특징

본 디바이스는 a) 질량 유량 감지 디바이스; b) EPROM; c) DRC 또는 DRT 중 임의의 것의 고장 진단; 또는 d) 다른 소프트웨어 또는 하드웨어 구성요소의 고장에 대해 "안전 장치를 갖추고(fail safe)" 있을 수 있다.

"안전 장치를 갖추고 있을 때", 하기의 이벤트들 중 임의의 것이 일어나면, 연관된 HVACR 장비는, 달리 프로그램되어 있지 않는 한, 정상 동작으로 되돌아갈 수 있다.

본 디바이스는 또한 "안전하게 재기동(re-starting safe)할 때", 정전(loss of power) 시에 또는 선택된 유형의 전력 과도 현상(power transient) 시에, 이러한 혼잡 및 수요 관련 이벤트들에 대한 그리드의 "보강(hardening)"을 제공하는 방식으로, 연관된 HVACR 장비를 지원할 수 있다. 모든 다른 "스마트 그리드" 특징들(정전 시의 자동 거동)에 부가하여, 이것은 베이스 유닛 특징일 수 있다.

본 디바이스는, RU 실시예에서, "오프"/"온" 및 작동 상태의 눈에 보이는 국소 표시를 가질 수 있다.

RU 실시예에서, 1개의 RU가 최대 3 개의 압축기들을 - 즉, 스테이징된 다중 압축기 VCCR 장비에 대해 - 처리할 수 있을 것이다.

본 디바이스는 (MODBUS, BACnet 및 어쩌면 다른 EMS/BMS 프로토콜들을 통해) 원격적으로 재설정가능하고 조작가능할 수 있을 것이다. 클립 온 전류(clip-on current) 및 전압 트랜스듀서들, 또는 선로 전력 소모를 모니터링하는 다른 수단을 통해, 연관된 HVACR 유닛의 에너지 소비를 모니터링하는 것이 가능할 수 있다. 용이한 입력 및 출력.

RU 실시예에서, 본 유닛이 용이하게 수동으로 설정될 수 있다.

본 디바이스는 에너지 효율에서 피드백 소스로서의 열 센서들에 대한 의존도를 줄인다. 이것은, 열 센서들이 시간의 경과에 따라 민감도가 떨어지게 되고 재교정될 필요가 있는 것으로 알려져 있다는 점에서, 신규의 긍정적인 요소이다.

본 발명은 이하의 양태들/실시예들/특징들을 임의의 순서로 및/또는 임의의 조합으로 포함한다.

1. 본 발명은 교류 전력 전류(alternating electrical power current)에 의해 작동되는 에너지 소비 장비의 부하 수요 및 동작을 자동으로 제어하고 관리하는 전자 제어기 장치에 관한 것으로서, 전자 제어기 장치는

a) 부하 유닛으로의 동작 전력의 흐름을 제어하는 부하 유닛 제어 스위치와 연결되는 제어 신호 라인과 직렬로 연결 가능하고, 제어 신호 라인을 열고 닫을 수 있는 제어기 스위치;

b) 제어 신호 라인에서의 진동하는 제어 신호의 진동 횟수를 생성하는 카운터를 포함하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간(elapsed run time interval) 및 경과 유휴 시간 구간(elapsed idle time interval)을 규정할 수 있는 디지털 재순환 카운터(digital recycle counter);

c) 실시간의 입력 인덱스를 제공하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간 및 경과 유휴 시간 구간을 규정할 수 있는 디지털 타이머;

d) 탐색 테이블 및 초기 디폴트 값들 중 적어도 하나를 포함하고, 부하 유닛이 서모스탯 부하(thermostatic load) 하에서 학습된 시간당 동작 사이클 수 이하로 가동되도록 보장할 수 있는, 입력 정보를 분석하여 부하 유닛의 에너지 사용 및/또는 수요의 개선된 최적화를 위한 알고리즘들을 도출하는 학습 모듈;

e) 공간의 온도 및/또는 부하 유닛의 부하 유닛 사이클에 관련된 적어도 하나의 물리 값을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서와 통신할 수 있는 외부 조절 디바이스(external conditioning device);

f) b), c), d) 및 e) 중 2개 이상으로부터 획득되는 입력 신호들 중에서 가장 높거나 가장 낮은 값을 선택하고 선택된 신호를 경매된 제어 신호(auctioneered control signal)로서 제어기 스위치로 출력할 수 있는 경매 제어 신호 디바이스를 포함하고, 부하 유닛으로부터의 피드백 신호들은 미리 정해진, 학습된 설정들 또는 디폴트 설정들을 보완하여 부하 유닛 동작(가동 시간)을 최적화하는 데 사용되도록 전자 제어기 장치에 의해 처리 가능한, 전자 제어기 장치.

2. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 부하 유닛은 경매된 제어 신호에 따라 가동되는 VCCR(vapor compression cooling/refrigeration) 유닛의 압축기를 포함하고, 경매된 제어 신호는

1) 증기 압축 사이클에 있는 압축기가 기동될 때 카운트를 개시하는 디지털 재순환 카운터에 의해 또는 재순환 타이머를 통해 규정되는, 경과 시간 구간;

2) 증발기 코일을 통한 냉매 질량 유량(refrigerant mass flow rate) 또는 냉매 질량 유량에 대한 대리 변수(proxy variable)의, 초기 레벨로부터 그 레벨의 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 분율로 또는 탐색 테이블로부터 획득된 임계 상대 레벨로의, 감지된 감소;

3) VCCR 유닛 사이클에서 2)에서와 상이한 감지된 물리 값의 변화; 또는

4) 연관된 서모스탯 감지 디바이스로부터의 OEM 서모스탯 충족 신호(OEM thermostat-satisfied signal)의 수신 중 더 짧은 것으로부터 도출되는, 전자 제어기 장치.

3. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, VCCR 압축기들이 서모스탯 부하 하에서 하기의 시간당 동작 사이클 수:

i) 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 수, 또는

ii) 탐색 테이블로부터 획득된 수

이하로 가동되도록 보장하는 제어 메커니즘과 대조하여 부하 유닛 가동 시간들이 추가로 경매되는, 전자 제어기 장치.

4. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 부하 유닛 가동 시간들 미만으로 VCCR 압축기가 가동된 후에, 이어서 부하 유닛이 어떤 구간 동안 유휴화(idle)되고, 유휴화 구간(idled interval)의 지속기간은 경매된 제어 신호에 따라 결정되며, 유휴화 구간 신호는

a) 증발기 코일 토출 온도의, 초기 레벨로부터 약간 더 높은 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 레벨로 또는 탐색 테이블로부터 획득된 임계 상대 레벨로의, 증가;

b) 증기 압축 사이클에 있는 압축기가 정지할 때 카운트를 개시하는 디지털 재순환 카운터에 의해 또는 재순환 타이머를 통해 규정되는, 미리 설정된, 미리 도출된, 또는 학습된 경과 시간 구간;

c) VCCR 유닛 사이클에서의 다른 감지된 물리 값의 변화; 또는

d) 연관된 서모스탯 감지 디바이스로부터의 OEM 서모스탯 호출 신호(OEM thermostat-call signal)의 수신 중 더 긴 것으로부터 도출되는, 전자 제어기 장치.

5. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, VCCR 압축기들이 서모스탯 부하 하에서 하기의 시간당 동작 사이클 수:

i) 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 수, 또는

ii) 탐색 테이블로부터 획득된 수

이하로 가동되도록 보장하는 제어 메커니즘과 대조하여 부하 유닛 유휴 시간들이 추가로 경매되는, 전자 제어기 장치.

6. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 각종의 보조 명령 또는 다른 외부 시스템 신호들이 수요 반응(Demand Response) 및 스마트 그리드 기능(smart grid functionality)을 달성하기 위해 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 변경하는 데 사용되는, 전자 제어기 장치.

7. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치는 연관된 설비에 대한 태양광 발전 전력(solar PV electrical power)의 설정된 할당의 유효 신뢰성을 증가시키기 위해 액추에이터로서 적용될 수 있는, 전자 제어기 장치.

8. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치를 사용하여 VCCR 압축기 동작에 대해 그리고 증발기 열 전달에 대해 제공되는 최적화 동작이 또한 코일 결빙(coil freezeover)을, 코일이 압축기 기반 냉매 펌핑(compressor-driven refrigerant pumping) 사이에서 약간 예열될 수 있게 하는 것에 의해, 감소시키거나 없애는 역할을 하는, 전자 제어기 장치.

9. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 슬러깅(slugging)(액체 냉매가 압축기 내로 들어가는 것)으로부터 그리고 또한 코일 결빙으로부터의 향상된 보호가 VCCR에서 냉매의 충전이 증가될 수 있게 하는 상기 장치를 사용하여 달성됨으로써, 시스템에서 더 많은 열 질량 그리고 따라서 동일한 전기 정격에 대해 더 많은 냉각 용량(cooling capacity)을 제공하는, 전자 제어기 장치.

10. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치는 응축기 팬들 및 다른 보조 장비를 유휴화시키는 것의 VCCR 동작에 대한 효과를 평가하는 데 사용될 수 있고, 이어서 부가의 에너지 절감을 가능하게 하기 위해 VCCR 동작 동안 간격을 두고 응축기 팬들 및 다른 보조 장비도 유휴화시킬 수 있으며, 또한 더 높은 냉매 압력이 유지될 수 있게 함으로써 열 전달을 개선시킬 수 있는, 전자 제어기 장치.

11. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 상이한 메커니즘 및 열역학적 동작을 통해, 연료 연소 난방을 위해 본 장치를 사용하고, 보조 온도 또는 압력 감지 디바이스로부터의 피드백 신호들은 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 보완하여 연료 연소 난방 장비에서의 버너 동작(가동 시간)을 최적화하기 위해 그리고 또한 그로써 버너 연소 공간에서 가열 매체(공기 또는 물)로의 열 전달을 개선시키기 위해 사용 가능한, 전자 제어기 장치.

12. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 각종의 보조 명령 또는 다른 외부 시스템 신호들이 수요 반응 및 다른 기능을 달성하기 위해 미리 정해진, 학습된, 또는 디폴트 설정들을 변경하는 데 적용될 수 있는, 전자 제어기 장치.

13. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치는 연관된 압축기 또는 버너 장비에 단기 사이클링 방지 보호(anti-short-cycling protection)를 제공할 수 있는, 전자 제어기 장치.

14. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치의 제어 아키텍처의 학습 특징들은 본 장치의 설치를 용이하게 하는, 전자 제어기 장치.

15. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 장치로서, 본 장치는 본 장치 없이 동작하는 HVAC&R 시스템과 비교하여 HVAC&R 시스템에서의 피드백 소스로서의 열 센서들 및 습도 센서들에 대한 의존도를 감소시키는, 전자 제어기 장치.

16. 본 발명은 난방, 환기, 공조 또는 냉장(HVAC&R) 시스템에 관한 것으로서, 난방, 환기, 공조 또는 냉장 유닛 및 HVAC&R 시스템의 서모스탯 제어 신호를 가로채기하고 가로채기된 서모스탯 명령을 처리하여 조절된 제어 신호를 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 출력 신호로서 발생시키는 청구항 1의 전자 제어기 장치를 포함하는, HVAC&R 시스템.

17. 본 발명은 HVAC&R 시스템의 자동 제어를 위한 시스템에 관한 것으로서, 본 시스템은

서모스탯(또는 다른 제어 신호 소스);

전자 제어기 장치; 및

전력 공급 선로(power supply line)에 연결되어 동작하는 적어도 하나의 부하 유닛을 포함하고,

전자 제어기 장치는 제어 신호 소스와 제어될 장비의 부하 사이의 제어 신호 라인에 삽입될 수 있으며, 전자 제어기 장치는

a) 부하 유닛으로의 동작 전력의 흐름을 제어하는 부하 유닛 제어 스위치와 연결되는 제어 신호 라인과 직렬로 있고, 제어 신호 라인을 열고 닫을 수 있는 제어기 스위치;

b) 제어 신호 라인에서의 진동하는 제어 신호의 진동 횟수를 생성하는 카운터를 포함하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간 및 경과 유휴 시간 구간을 규정할 수 있는 디지털 재순환 카운터;

c) 실시간의 입력 인덱스를 제공하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간 및 경과 유휴 시간 구간을 규정할 수 있는 디지털 타이머;

d) 탐색 테이블 및 초기 디폴트 값들 중 적어도 하나를 포함하고, 부하 유닛이 서모스탯 부하 하에서 학습된 시간당 동작 사이클 수 이하로 가동되도록 보장할 수 있는, 입력 정보를 분석하여 부하 유닛의 에너지 사용 및/또는 수요의 개선된 최적화를 위한 알고리즘들을 도출하는 학습 모듈;

e) 공간의 온도 및/또는 부하 유닛의 부하 유닛 사이클에 관련된 적어도 하나의 물리 값을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서와 통신할 수 있는 외부 조절 디바이스;

f) b), c), d) 및 e) 중 2개 이상으로부터 획득되는 입력 신호들 중에서 가장 높거나 가장 낮은 값을 선택하고 선택된 신호를 경매된 제어 신호로서 제어기 스위치로 출력할 수 있는 경매 제어 신호 디바이스를 포함하고, 부하 유닛으로부터의 피드백 신호들은 미리 정해진, 학습된 또는 디폴트 설정들을 보완하여 부하 유닛 동작(가동 시간)을 최적화하는 데 사용되도록 전자 제어기 장치에 의해 처리 가능한, 시스템.

18. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 시스템으로서, HVAC&R 시스템은 가스 압축/압축 공기 시스템(예컨대, VCCR 시스템)을 포함하는, 시스템.

19. 본 발명은 HVAC&R 시스템에서 전기로 작동되는(powered by electricity) 적어도 하나의 부하 유닛의 전력 사용량(power usage) 및/또는 부하 수요(load demand) 및 동작을 자동으로 제어 및 관리하는 방법에 관한 것으로서,

서모스탯(또는 다른 제어 신호 소스)과 제어될 장비의 부하 사이의 제어 신호 라인에 전자 제어기 장치를 전기적으로 연결시키는 단계 - 전자 제어기 장치는 a) 부하 유닛으로의 동작 전력의 흐름을 제어하는 부하 유닛 제어 스위치와 연결되는 제어 신호 라인과 직렬로 있고, 제어 신호 라인을 열고 닫을 수 있는 제어기 스위치, b) 제어 신호 라인에서의 진동하는 제어 신호의 진동 횟수를 생성하는 카운터를 포함하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간 및 경과 유휴 시간 구간을 규정할 수 있는 디지털 재순환 카운터, c) 실시간의 입력 인덱스를 제공하고, 부하 유닛에 대한 경과 가동 시간 구간 및 경과 유휴 시간 구간을 규정할 수 있는 디지털 타이머, d) 탐색 테이블 및 초기 디폴트 값들 중 적어도 하나를 포함하고, 부하 유닛이 서모스탯 부하 하에 서 학습된 시간당 동작 사이클 수 이하로 가동되도록 보장할 수 있는, 입력 정보를 분석하여 부하 유닛의 에너지 사용 및/또는 수요의 개선된 최적화를 위한 알고리즘들을 도출하는 학습 모듈, e) 공간의 온도 및/또는 부하 유닛의 부하 유닛 사이클에 관련된 적어도 하나의 물리 값을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서와 통신할 수 있는 외부 조절 디바이스, f) b), c), d) 및 e) 중 2개 이상으로부터 획득되는 입력 신호들 중에서 가장 높거나 가장 낮은 값을 선택하고 선택된 신호를 경매된 제어 신호로서 제어기 스위치로 출력할 수 있는 경매 제어 신호 디바이스를 포함하고, 부하 유닛으로부터의 피드백 신호들은 미리 정해진, 학습된 또는 디폴트 설정들을 보완하여 부하 유닛 동작(가동 시간)을 최적화하는 데 사용되도록 전자 제어기 장치에 의해 처리 가 능함 -;

전자 제어기 장치에서 냉방, 냉장, 또는 난방에 대한 서모스탯으로부터의 적어도 하나의 서모스탯 명령을 가로채기하는 단계;

전자 제어기 장치에서 가로채기된 서모스탯 명령을 처리하여 조절된 제어 신호를 출력 신호로서 발생시키는 단계; 및

부하 유닛의 동작을 제어하기 위해 전자 제어기 장치에 의해 발생된 출력 신호를 제어기 스위치로 출력하는 단계를 포함하는, 방법.

20. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 방법으로서, HVAC&R 시스템은 가스 압축/압축 공기 시스템(예컨대, VCCR 시스템)을 포함하는, 방법.

본 발명은 이상에서 및/또는 이하에서 문장들 및/또는 단락들에 기재된 것들과 같은 이러한 다양한 특징들 또는 실시예들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 특징들의 임의의 조합이 본 발명의 일부로서 간주되고, 조합가능한 특징들과 관련하여 어떤 제한도 의도되어 있지 않다.

본 개시 내용에서 인용된 모든 참조 문헌들의 전체 내용은 참고로 그 전체가 본 명세서에 포함된다. 게다가, 양, 농도, 또는 기타 값이나 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 상한 값들 및 바람직한 하한 값들의 목록으로서 주어질 때, 이것은, 범위들이 별개로 개시되어 있는지 여부에 상관없이, 임의의 범위 상한 또는 바람직한 상한 값과 임의의 범위 하한 또는 바람직한 하한 값의 임의의 쌍으로 이루어진 모든 범위들을 특정하여 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 수치 값들의 범위가 인용되는 경우, 달리 언급하지 않는 한, 그 범위는 범위의 끝점들을 포함하고, 그 범위 내의 모든 정수 및 소수를 포함하는 것으로 보아야 한다. 본 발명의 범주가 범위를 정의할 때 인용된 특정의 값들로 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다.

본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서를 살펴보는 것 및 본 명세서에 개시된 본 발명을 실시하는 것으로부터 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 예들이 단지 예시적인 것으로 간주되고 본 발명의 진정한 범주 및 사상이 이하의 청구항들 및 그의 등가물들에 의해 나타내어진다는 것이 의도되어 있다.