[0002] 本申请要求2008年6月18日提交的美国临时
专利申请序列号No.61/132,351的优先权，其全部内容经引用并入本文。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种
暖通空调(HVAC)系统。
背景技术
[0004] 典型的家居住宅仅具有一个
温度调节装置，它通常位于主要活动区域内，并控制整座住宅的温度。因为诸如朝阳方位、楼上与地下室、在厨房内做饭、不同
隔热材料、
窗户数量等各种原因，整座住宅的温度会与温度调节装置处的温度显著地不同(10℉)。这经常导致在住宅的一个或另一区域内出现不舒适温度。居住者可通过手动调节通
风口而改变气流。然而，这就导致舒适度得到最小程度的改善：
[0005] —
通风口经常位于家具后面或安装在
天花板上。因为触及不到它们，所以不能改变它们。
[0006] —加热或空气调节仅在温度调节装置处的温度这样指示时工作，因此如果没有气流，则打开或关闭其它房间内的通风口没有什么不同。
[0007] —季节变化要求进行较大调节，例如在冬季将上升热驱动到地板，而在夏季将下沉的冷却空气驱动到
天花板。在过渡时期内，HVAC系统在一天内需要从加热改变到冷却，需要进行频繁的通风调节。
[0008] —
居所可能有一个需要加热的房间以及另一需要冷却的房间。传统HVAC系统不能实现上述要求。
[0009] —如果房间的较大部分未使用，则浪费了调节这些房间的
能量。
[0010] 较老的HVAC系统的温度调节装置是手动设定，从而将温度保持在上限和下限之间。较新的可编程的温度调节装置能够实现基于一天的时间、周末与工作日设置等进行不同设置。然而，它们仍旧不能够实现单独房间控制。
[0011] 商用办公空间通常利用变风量通风口(VAV)进行调节。最简单的VAV系统结合供应管道，该供应管道以约55℉温度的冷却模式分配供应的空气。由于供应空气的温度恒定，故必须改变气流流量以满足供热区内的升高和下降的热增量或
热损失。如果要调节多个房间，则必须调节VAV以控制各特定房间的气流。很多VAV依赖于手动调节，例如扭转旋钮来打开或关闭通风口。然而，这些通风口通常位于顶板上，并不容易触及。
[0012] 自动化的VAV包括基于来自温度调节装置或
建筑物自动控制系统的输入结果来调节孔口的
马达。这些VAV需要马达以及指示它们何
时移动和移动多少的数据，这就需要用于电
力和数据
信号的
导线。安装这种自动化VAV所需的成本和时间会较高。
发明内容
[0013] 本发明提供一种
暖通空调系统，包括：能调整的通风口，其构造成控制通过通风口的气流；
致动器，其构造成控制能调整的通风口；以及周围环境能量采集器，其构造成将能量供应到致动器，其中用于操作致动器所需的能量由周围环境提供。
[0014] 由于致动器是由将诸如气流
动能、温差或周围光能等周围环境能量转换成
电能的一个或多个能量采集器自供电的，因此不需要用于给致动器供电的导线。
[0015] 暖通空调系统可具有一个或多个储能单元，例如电容、能再充电的
电池、诸如
弹簧的机械存储装置等，其可以以足以驱动致动器的聚集形式存储从周围环境采集的能量。
[0016] 它可具有无线通信系统，以与一个或多个
传感器以及其它控制单元或中央
控制器通信，从而不需要用于数据通信的导线。结果，通风口和致动器可容易地安装在新管道内，或作为现有出风筒的替换结构安装。
[0017] 此外，本发明提供一种用于操作上述系统的方法。该方法容许通过将至少致动器置于休眠模式下而减少能量消耗。通过将空气从一个区重新分配到另一区，该系统的效率可提高。
附图说明
[0018] 以下利用示例性实施方式并借助于附图对本发明进行更详细解释。
[0019] 图1示出能量采集器的实施方式，
[0020] 图2示出能量采集器的另一实施方式，
[0021] 图3示出致动器的实施方式，
[0022] 图4示出通信方法的实施方式，
[0023] 图5示出用于能量采集和供应的
电路的实施方式，
[0024] 图6示出用于能量采集和供应的电路的另一实施方式，
[0025] 图7示出间歇式无线电数据交换的实施方式。
具体实施方式
[0026] 以下是从周围环境采集能量的能量采集器的实施方式。若干不同种类的采集器可一起使用。
[0027] 图1示出包括旋转
叶片的能量采集器，当空气流经叶片上时，旋转叶片转动。安装在叶片上的磁体旋转经过安装在周边上的线圈。当磁体经过线圈时，线圈内的磁通量改变并在线圈内产生
电流。
[0028] 图2示出包括与旋转螺旋桨的轴直接耦接的AC(交流)或DC(直流)发
电机的能量采集器。AC发电机是优选的，原因是它无整流子和电刷，并因此更坚固和噪音较低。在两个附图中，
电压被整流，并用于给诸如电容或可再充电电池等储能装置充电。
[0029] 在另一构造中，螺旋桨轴缠绕弹簧以存储机械
势能。弹簧用作能量源来打开和关闭通风口。
[0030] 除了气流的动能外，也可从周围环境采集其它形式的能。
[0031]
热电发电机采集由于温差而产生的能量，例如通过安装帕尔贴结(Peltier junction)，使得帕尔贴结的一个板置于输送气流的管道内，并暴露于比周围室温温暖或寒冷的空气，而另一板位于管道外部，并暴露于周围室内的空气温度。借助于约30K的温差，产生足够能量以给致动器、传感器、控制单元和无线通信系统供电。
[0032] 光能采集器从室内光照或太阳光采集能量，并将它转换成电能。可将
太阳能电池安装在通风口外部上，在此
太阳能电池将光能转换成电能以给系统供电。
[0033] 以下是可用于控制空气流量的致动器的实施方式。如果它们可由周围的能量采集器供电，则它们能自供电，且它们可具有传感器，以提供关于致动器的
位置状态的反馈从而指示通风口打开多少。
[0034] 致动器实施方式包括可调风
门和具有通风
百叶窗的出风筒。风门或通风百叶窗可由具有
齿轮箱的DC马达、或者由直接耦接到储能弹簧的齿轮箱驱动。如果弹簧用作动力源，则优选地以如下方式设计风门或通风百叶窗，即风门或通风百叶窗容许通过仅沿一个方向转动而打开和关闭通风口。
[0035] 在图3中示出致动器的另一实施方式。气流将在“S”型叶片上产生具有固定方向的
扭矩。如果沿任一
角度释放它，则叶片将保持沿一个方向转动。在这种情况下，不需要马达来将叶片驱动到期望位置。仅需要
制动机构，例如通过使用闭
锁电磁线圈，以将叶片停止在期望角度处，从而调整气流。合理的低
分辨率的
编码器或其它装置可用于检测角度。这种机构也可用于沿轴向采集能量。
[0036] 除了控制空气流量，致动器或附加致动器也可控制用于产生气流的马达的速度、或者控制用于设定冷却或加热气流总量的
阀。致动器也可用于控制气流方向。原理上，致动器可用于控制HVAC系统中的元件中任何一个。通过利用至少一个传感器的状态信息，可实现对这些系统进行闭环控制。
[0037] 以下是可与上述系统一起使用的控制方案的实施方式。
[0038] 在对多个温度区的分区控制中，将无线温度传感器放置于不同温度区或室内，以与温度区或室内的HVAC致动器通信。传感器和致动器将形成针对温度的闭环控制回路。可以用无线
湿度传感器以相同方式控制湿度。占用感应器(occupancy sensor)也可容易地添加到系统。
[0039] 以下是可以执行的步骤的示例：
[0040] —致动器周期性地被唤醒并将“我在这(I’m here)”RF(射频)信号传送到温度调节装置。
[0041] —温度调节装置以更新过的指示响应致动器。
[0042] —致动器执行指示，并回到休眠状态。
[0043] 需要包括同步信息以保持致动器和温度调节装置同步。可在致动器或协调器(coordinator)中执行控制
算法，使得协调器能将例如通风口打开百分比的指令直接发送到致动器，而致动器不必花费时间计算并因此可省电。
[0044] 分区控制温度区/房间的主要缺点是供应物(冷/热空气)和指令之间缺乏合作。如果总通风量非常小，
压缩机/加热器/风扇仍旧以最大能力运行，则分区控制温度区/房间可使HVAC系统置于风险中。
[0045] 在对多个温度区的中央或集中控制中，各温度区或房间内的致动器不仅与位于该区内的致动器自己的温度传感器作为闭合控制回路一起作用，而且也从中央控制器接收作为监控或超控(override)指令的指令。住宅内的所有设备和传感器基本上形成无线网络。这将能够与HVAC系统中的其它子系统高度合作，并操控诸如计划安排和优先权分配等其它项目，这些项目几乎不可能由分区的温度区或房间式控制器进行操控。
[0046] 集中控制系统将极大地提高系统能量效率和舒适性，并具有如下益处：
[0047] —仍旧可执行单独温度区或房间控制。其它诸如占用感应器的传感器仍旧可结合进各温度区或房间内。
[0048] —已计划的温度分布控制也是可以进行的。
[0049] —可调整供应和指令。当通过通风口的总空气流量减小时，可减小压缩机、加热器和风扇的输出量。可利用当致动器检查消息时从协调器或中央控制器收集的所有致动器的实际致动器位置，计算通风口的总打开百分比。这需要位于气阀上的致动器以及用于压缩机和风扇的
变频器(VFD)，它们也可配备有无线电通信装置，因此它们将形成HVAC系统的无线网络的部分。
[0050] —可操控温度区或房间的优先权分配。如果HVAC系统的能力达到其极限，因为冷或热空气的供应分配可由中央控制器或协调器进行，因此可优先处理当时具有较高优先权的温度区或房间。因为中央控制器可根据这些温度区或房间的优先权等级给它们分配资源，所以具有较高优先权的温度区或房间内达到设定点时的时间延迟预计较短。
[0051] —可测量和计算外部
环境温度和平均室温，可利用无线传感器监测主管道和
流体输送管道处的温度，且这些信息可供
中央处理器利用以最优化系统的性能并防止设备损坏。
[0052] —具有图形显示装置的无线手持装置可用来监测房间内的温度分布，并可用于构造和改变
温度控制分布。
[0053] 中央控制的操作可如下进行：
[0054] —包括太阳能供电式温度调节装置在内的温度调节装置周期性地更新用于建筑物特定区域的周围环境和设定点环境条件的中央控制器。
[0055] —控制器保持监听模式，等待致动器报告。
[0056] —致动器以可配置的休眠周期而周期性地被唤醒并监测其通风口位置或状态。致动器通过无线电将状态报告到中央控制器。
[0057] —中央控制器将实际状态和期望状态比较，并发送指示通风口设置的所需变化的RF消息。
[0058] —通风口改变到新设置。如果期望，通风口可发送具有更新后位置状态信息的确认，或替代地回到休眠模式以节约能量。
[0059] 以下是由系统使用的通信协议的实施方式。
[0060] 依据传感器被怎样供电，传感器和致动器之间的通信协议必需认真设计以减小无线
节点中的能量用量。具有HVAC致动器的系统的典型构造是自供电的温度传感器、自供电的HVAC致动器、以及可由电源供电的一个或多个协调器或中央控制器。可选地，存在可由电源供电的压缩机VFD、风扇VFD、
燃烧器燃料阀控制器。
[0061] 由于传感器和致动器都可为自供电的，并在大部分时间中处于节电模式下以节约能量，因此同步它们被唤醒的时间以使它们可彼此通信较为困难。在这种情况下由电源供电的协调器可用作两个自供电装置之间的桥接器。在图4中图示出通信方法的实施方式。
[0062]
传感器数据需要周期性地传输到致动器。每当传感器从节电模式下被唤醒，它都从诸如温度等状态信息中取样，并将数据发送到置于其通信能力范围内的协调器。协调器将数据或电报缓冲一段时间。致动器周期性地被唤醒，将包括作为数据净荷的指示通风口打开百分比的致动器位置在内的电报发送到协调器以检查消息，并在检查电报发送出去之后保持监听一段预定时间。当从致动器接收到消息检查电报时，协调器将检查是否存在正在等待致动器的信息。如果存在已缓冲的数据，则该消息应该立即传送到致动器。
[0063] 根据所用的无线协议，能够以若干种方式完成绑定(binding)：
[0064] —在一种情况下，电报仅包括发送者而非目的地的地址。在这种情况下，绑定需要在致动器和传感器之间完成。每当接收到消息检查电报，协调器仅需重复已缓冲的电报。对于协调器而言，还具有绑定表(binding table)是有利的，使得如果存在来自不同传感器的多个已缓冲电报，则当接收到消息检查电报时，协调器知道重复哪个电报。这将减少致动器所需的监听时间，因此可消耗较少能量。在这种情况下，路由选择(routing)是不可能的。
[0065] —在另一种情况下，电报包括源地址和目的地地址。绑定可在上述的传感器和致动器之间、或者在协调器处完成。协调器可如上所述地简单地重复电报，或根据系统初始配置时所完成的绑定表缓冲和发送电报。
[0066] —电报仅包括目的地地址也是可以的。这可按照上述容易地操控。
[0067] 以下是用于将能量供应到系统的方法和电路的实施方式。
[0068] 多个周围环境能量采集器作用为高阻抗源。另一方面，负荷经常是低阻抗能阱(energy sink)。这就是为什么必须收集所采集的能量，直到它足以驱动负荷为止。
[0069] 该方法可具有以下步骤：
[0070] —热电转换器借助于可调通风口内部和外部之间的温差给电容器充电。
[0071] —一旦电容器上的电压达到限定的
阈值，收集的能量就转移到电压转换器。
[0072] —无线电收发机被供以能量，并发送实际温度值或当前信号，且在发送之后接收机被继续供电数毫秒。
[0073] —由电源供电的控制站接收温度发送信息，并发送控制指令。
[0074] —无线电收发机接收控制指令，并沿
指定方向驱动致动器。
[0075] —如果不需要运动，则无线电收发机进入休眠模式，且多余能量可用于给附加电能储备装置充电。
[0076] —一旦储能电容器达到降压调整电压(buck regulated voltage)的电平，对无线电收发机和马达的供应就中断。
[0077] —如果储能电容器上的能量再次充足，则无线电收发机检查根据接收到的最后指令仍待执行的步骤。
[0078] —如果步骤尚待完成，则控制器接下来开始致动器的步骤。
[0079] —如果所有指令的步骤完成，则无线电收发机发送“DONE(完成)”信号，并为了下一指令而再次打开接收器。
[0080] —在没什么必需做的时期间，可收集能量以便进行快速控制。
[0081] 系统也可在没有无线电控制的情况下分散地操作。在这种情况下，作为输入控制的电位计或
开关可设定期望温度。然后，通过自调整而保持该温度恒定。现在，用于无线电收发机的能量可供应马达。这可如下执行：
[0082] —热电转换器借助于百叶窗
覆盖范围的内部和外部之间的温差而给电容器供电。
[0083] —一旦电荷足够用于
微控制器供应，微控制器就读取期望温度，例如通过电位计或数字开关的
电阻。可能地，最佳调整方法可以是仅增/减开关。
[0084] —接下来，决定马达是否应该移动以及移动的方向。该决定根据对实际百叶窗覆盖范围的温度的外部与实际调整值之间的比较而定。
[0085] —在具有方向“MORE(多)”或“LESS(少)”的开关的示例中，只要开关未位于中性位置且能量可得到，马达缓慢地移动。
[0086] —在若干个位置开关或电位计的示例中，只要未达到期望温度，马达就缓慢地移动。
[0087] —微控制器决定是否接下来必需执行步骤以及所沿方向。
[0088] —如果达到期望温度，则微控制器通过收集能量保持温度恒定，以便在需要的情况下则沿受控方向实施步骤。
[0089] —微控制器读取用于期望温度的输入结果，并将该输入结果与实际温度比较，以及决定是否要执行调节步骤。
[0090] —微控制器进入收集能量回路，读取输入结果、与实际值比较、以及开始步骤和方向或者休眠。
[0091] 图5示出用于
能量收集和供应马达的电路的实施方式。它具有带有100KΩ阻抗的5V发电机，其可为太阳能电池或热电转换器。能量收集电容器C1被充电。所收集的能量一达到诸如3V的可调阈值，就供应输出，而一达到诸如2V的可调低阈值，输出就停止。再充电时间间隔是约156秒。低阻抗输出提供短时的高能量。放电时间以及因此能量电容器上的余留电压根据C2的值而定。可供应具有100mH和10Ω的马达，以3.16V开始，并且在15ms的时期之后以2.12V结束。
[0092] 致动器可为具有无心电枢并具有电刷的电马达，该电马达具有如下规格：
[0093] 3Vdc电源
[0094] ＜30mA开环电流
[0095] 效率＞85％
[0097] 或者，作为一个示例，可使用Faulhaber公司的0.15W的具有3Vdc/13.5Ω的齿轮dc(直流)马达。这种马达可利用从6∶1到324∶1的齿轮。具有上述能量收集和供应装置以及此种马达的无电池系统(battery less system)将能够驱动自供电的空调控制器。
[0098] 热电转换器可在几分钟内将2200μF的电容器充电到例如4.5V。存储的能量是：W2 2 2
＝C×U/2＝2200As/V×(4.5V)/2＝22mWs。该能量可转换为恒定值3V，其中W＝C×U/2
2
＝1100As/V×(3V) ＝10mWs损失了。在3V时余留了接近12mWs。这在50ms过后，接近
1/4W供应到马达。另一可能性是通过直接用4.5V供应3V马达直到余留例如2V为止，而使
2 2
电容器放电。仅W＝C×U/2＝2200As/V×(2V)/2＝4.4mWs的剩余能量保留仍未使用。
余留电荷减少了再充电时间，并因此不损失。可应用的能量接近18mWs。这对于50ms供电时间而言是0.36W。
[0099] 因为可用能量仅可利
用例如50ms，因此马达应该在低
质量情况下相当快速地起动。这也可用不具有无芯电枢的马达来实现。
[0100]
浪涌电流可由限流计减小，只要没有太多的能量损失即可。
[0101] 图6示出用于以3V和30mA供应无线电收发机以发送和接收数据的能量收集和供应装置的实施方式。
存储电容器必须提供3V/30mA的能量一段时间，该段时间最少为用于起动时期的1.5ms+用于发送3电报(3sup telegrams)的3×1.2ms+用于接收响应的6ms＝11ms。所有余留能量可用于给致动器供电。
[0102] 在可变阈值处的能量转换(switch through)由IC1限定。在这种示例中，阈值是4.6V。能量转换时间是通过C2可调的。在这种示例中，能量转换时间是130ms。经由高效
降压转换器调节后的输出可由R3调节以用于马达和无线电收发机。假定，无线电收发机装置具有100Ω电阻。
[0103] 在这些条件下，2200μF的电容器充电到4.5V并由降压转换器放电到3V
输出电压。可获得84秒的无线电收发机和致动器间隔，其中3V的调节后输出在133ms内以放电形式放出。于是，133ms的可用放电时间比用于无线电收发机供应所需的11ms多得多。大量能量保留以用于驱动致动器，因为马达可消耗可用供电时间的其余120ms。能量收集电容器的扩容不但线性地增加了用于致动器的供应时间，而且也线性地增加了所需的充电时间。
[0104] 图7示出上述间歇式无线电数据交换的实施方式。
[0105] 具有能量采集器的HVAC致动器能够实现对家用和商用办公楼的非常先进的控制。它们容易安装到新的房屋和老房屋的
翻新房屋。HVAC系统的能量效率和舒适性将借助于该装置而得到极大地改进。
