CN1108489C - 湿度控制恒温器和用于控制空调装置的方法 - Google Patents

Abstract

一个空调器或者热泵装有一个恒温器控制装置，它包括：一个温度传感器和一个湿度传感器以及一种对室内吹风机部分和压缩机进行低电压信号控制以便响应于室内温度和湿度以及所要求的温度和湿度的设定值控制各种运行的算法。

Description

用于控制一封闭空间的气候控制系统的控制装置

本发明涉及空调和热泵的气候控制装置，尤其涉及一种用于控制一封闭空间的气候控制系统的控制装置。

在一种空调器或者热泵的气候控制装置的设计中，一般做法是采用一个被装备的以两种或者三种可能的转速之一工作的室内吹风机。这样，装置的性能和效率只是在许多组可能的工作状态中的几组才是最佳化的。在其它状态时的装置性能或者吹风机转速可以低于最佳的但基于装置设计的经济性则被认为是可接受的。装置控制是采用一个恒温器根据显冷要求使压缩机或者吹风机循环进行和中断而实现的，从而将结构内的温度保持在所要求的水平上。

一个空调装置的湿度控制能力是表示为显热量与总热量之比，它被称为显热比(SHR)。SHR是蒸发器工作温度、蒸发器表面积、露点和进入蒸发器的空气量的函数。通常装置设计的一个问题是装置的湿度控制能力对于装置的潜在负荷要求一般在所有的季节气候条件下并不是最佳的。这就是说，当空调器或者热泵处于对合理的结构负荷的满意控制的情况时，湿度水平在大多数情况下是失去控制的。事实上，被认为“轻负荷”的合理负荷状态时的室内湿度水平要大大超过通常被认为舒适的水平。

室外干泡温度在65-85华氏度范围内时，空调装置经历较长空转时间。这就是，当室外温度接近或者低于室内调定温度时，空调器就关掉，因而不进行冷却或者降湿。如果在这些几乎总是需要降湿的室外温度时，室内湿度就可能提高到产生霉菌、霉病以及尘螨生长的条件的不能接受的水平。此外，如果不降湿，则建筑物结构材料的含水量就会提高，这会引起损坏。如果湿度允许过度提高，则在内表面上会形成冷凝从而可使家具损坏。因此，为解决这个问题，开发了一种在空转期间提供降湿运行的冷却装置调节器，可使湿度水平保持得足够低以阻止或消除霉菌、霉病和尘螨的生长以及防止对建筑物和家具的损坏。

有许多房屋和建筑物长时间一直元人居住。这些长期不居住的期间就提出一个有关降湿的特殊问题。为了在无人居住期间使空间降湿而使HVAC系统工作就可不必要整个地冷却该空间而降低能量效率。如果HVAC系统不工作，该空间就会长期积累湿气而促使霉菌和霉病的生长。此外，如果HVAC系统长时间不运行而使湿气积累，则HVAC系统一旦再起动，就要求延长运行时间来使空间降湿。过去已将占用检测控制器与HVAC系统共同使用，其特点是HVAC系统或者关掉或者转换到一个较高温度的调整值。因此所需要的是一种对HVAC系统的控制装置和控制方法，该HVAC系统在占用或不占用的期间使用都提供释放潜热的有效能量。

已经作出许多的努力来有效地处理封闭空间的降湿问题。例如许多已有装置已对传统的HVAC系统增设了分开的降湿装置，在美国专第5,598,715、5,578,753、5,427,175、5,305,822和5,231,84中揭示了这些已有装置。美国专利第5,544,809号揭示了一种利用使封闭空间内空气干燥最佳化的算法定时策略。这种方法并不是通过控制空调系统部件的运行使SHR变化。在第5,544,809号专利中的装置能使HVAC系统以全功率定时间隔工作，然后根据温度和湿度的测量值定时间隔地关掉HVAC系统。这样一个装置的结果是，如上所述，实际赶上潜热负荷要求以及较高的室内湿度和较低的室外干泡状态该装置可能要花费较长时间。此外，5,544,809号专利还揭示了一种方法，这种方法中采用一种如果封闭空间未被占用可自动延长装置循环时间的占用传感器。

本发明的目的是提供一种用于控制空调或者热泵装置的装置，该装置的特点是，在轻的合理负荷期间使室内气流和压缩机的运行受控制，以在这些期间内增加去湿能力并使湿度增大受到限制。

根据本发明，提供一种用于控制一封闭空间的气候控制系统的控制装置，该气候控制系统具有一风扇和一压缩机，其特征在于，所述控制装置包括：

一个可以检测封闭空间内湿度并提供一个相应于被检测到的湿度的信号的湿度传感器；

一个可以检测封闭空间内温度并提供一个相应于被检测到的温度的信号的温度传感器；

一个被操作连接的微处理机，接受来自湿度传感器和温度传感器的信号、将检测到的温度和湿度与预定温度和预定湿度设定值相比较并将独立的能实现的信号发送给风扇和压缩机；

该微处理机以将能使风扇和压缩机全功率运行的独立信号送给风扇和压缩机的第一种工作方式工作，以及

该微处理机以发送能使压缩机全功率运行的信号以及发送能使风扇小于全功率运行的独立信号的第二种工作方式工作。系统或者关掉或者转换到一个较高温度的调整值。因此所需要的是一种对HVAC系统的控制装置和控制方法，该HVAC系统在占用或不占用的期间使用都提供释放潜热的有效能量。

已经作出许多的努力来有效地处理封闭空间的降湿问题。例如许多已有装置已对传统的HVAC系统增设了分开的降湿装置，在美国专第5,598,715、5,578,753、5,427,175、5,305,822和5,231,84中揭示了这些已有装置。美国专利第5,544,809号揭示了一种利用使封闭空间内空气干燥最佳化的算法定时策略。这种方法并不是通过控制空调系统部件的运行使SHR变化。在第5,544,809号专利中的装置能使HVAC系统以全功率定时间隔工作，然后根据温度和湿度的测量值定时间隔地关掉HVAC系统。这样一个装置的结果是，如上所述，实际赶上潜热负荷要求以及较高的室内湿度和较低的室外干泡状态该装置可能要花费较长时间。此外，5,544,809号专利还揭示了一种方法，这种方法中采用一种如果封闭空间未被占用可自动延长装置循环时间的占用传感器。

本发明的目的是提供一种用于控制空调或者热泵装置的装置和方法，其特点是，在轻的合理负荷期间使室内气流和压缩机的运行受控制，以在这些期间内增加去湿能力并使湿度增大受到限制。

附图构成说明书的一部分。在附图各部分中，相同的标号表示相同的零部件。

图1是采用按照本发明的控制方法第一种方式工作的空调系统的一个封闭空间内的温度和湿度的图示说明；

图2是采用按照本发明的控制方法第二种方式工作的空调系统的一个封闭空间内的温度和湿度的图示说明；

图3是装有本发明的控制装置的一个具体实施例的一个空调装置的示意图；以及

图4是图示在图3中所示本发明控制装置的微处理机所采用的算法逻辑的流程图。

如下面将要详细说明的那样，本发明提供对一个空调装置的操纵以控制在一个封闭空间内的湿度。然而应该说对熟悉该技术的人显而易见的是本发明并不限于给出的具体例子，而可采用其它要求潜热释放的装置。

参照图1，示出一个用于本发明的典型的工作方式图。温度2和湿度3的设定值以及占用方式设定(未图示)均由使用者选定。在此特定的图所示的工作方式中，占用方式设定为“已占用”。温度设定值在图中用箭头2表示，例如可代表一个典型的设定值77华氏度。类似地湿度设定值在图中用箭头3表示，例如可表示一个设定值55％相对湿度(RH)。这些设定值是使用者对一个占用的封闭空间的通常选择值。

图1中所示的方式图表示的一些区域相应于HVAC系统的不同工作方式。通常，区域I相应于在封闭空间内的温度高于设定值温度以及在封闭空间内的湿度低于设定值湿度时的状态。区域II相应于在封闭空间内的温度和湿度都高于各自设定值的状态。类似地，区域III相应于在封闭空间内的温度低于设定值温度以及在封闭空间内的湿度变化得高于和低于湿度设定值两种情况时的状态。区域IV相应于封闭空间的温度低于温度设定值以及在封闭空间内的湿度高于湿度设定值的一组离散状态。这些区域是用于任何冷却装置的正常工作区域，能够帮助说明本发明的工作状况。在区域I内，仅仅存在对显冷的要求。空调或热泵装置被控制运行以满足所述的合理要求，但也可降湿到由其SHR所限制的程度。这可导致室内空气的过分干燥从而对占用者产生凉快感。区域II的特点是对冷却和降湿两种的要求。一般说，在此区域所有的空调器或者热泵都能满足对冷却的要求，但当湿度超过设定值百分之几时不能满足对降湿的要求。使用湿度调节器或者其它方案以超过温度设定值来满足这个要求的努力都将导致过冷，除非使用一第二恒温器(或其它的装置)来限制过冷。根据本发明，采用单个恒温器，用来监控湿度以及温度以控制室内吹风机和压缩机从而改善潜热释放。本发明的作用可使装置的降湿性能按需要超出在区域IV内的温度设定值而扩展到第二温度限值(下面将进一步说明)以改善装置的湿度控制。在区域I内，空调器或者热泵作为一个正常装置而被控制，此时来自室内吹风机的空气流动是正常的，而压缩机和吹风机按满足合理要求的需要断断续续地循环。在区域II内，压缩机正常工作，但对由室内吹风机供给的空气流调节，在一个实施例中调节到正常空气流的70-80％，以降低蒸发器盘管的工作温度和提高蒸发器的潜热释放能力，由此减小SHR。如果空调空间的相对湿度是如区域IV所示那样，在空调器或者热泵满足降湿要求之前就使温度设定值得到满足，则可允许装置继续运行以进一步对封闭空间降湿。在本发明的一个实施例中，HVAC系统在区域IV内工作受到下面的温度和湿度限值的限制：

1.湿度设定值得到满足，而温度高于在2和3中所述的限值，

2.湿度比设定值高出6％，但温度比温度设定值低3华氏度，以及

3.湿度比设定值高出0-6％，以及分别从温度和湿度的设定值起每2％RH误差温度下降1华氏度。

当HVAC系统处于区域IV内工作时，可将室内气流调节到这样低的水平，即装置可在不会由于制冷剂溢还或者蒸发器盘管冻结而损坏压缩机或者任何其它装置零部件的情况下工作。在一个典型的装置中，在蒸发器上流过的空气流量是对于每吨冷却容量为每分钟400立方英尺的空气(cfm/ton)。在区域IV内，压缩机也是以与负载要求匹配所必需的速率断断续续地循环，但是在工作期间或者工作循环时不超过最大值。在本发明的一个实施例中，压缩机是采用50％最大工作负载按时运行10分钟。上述的两种控制动作都可使空调器或者热泵的潜热释放能力最大而使显热能力最小，由此改善装置的湿度控制特性。而被共同转让的美国专利第4,003,729揭示了一种降湿方法，其特点是，风扇的速度是变化的以减小流经蒸发器的空气流动量，从而使在蒸发器处的制冷剂液位保持在一预定的液位上。在‘729专利中，需要监控制冷剂温度并且压缩机循环是不和蒸发器风扇的转速一起变化以使潜热释放最佳化。

参看图2，其中示出本发明的一个第二工作方式图，此时，占用方式被调整为“未被占用”。温度设定值在图上是用箭头2表示，举例说，可代表一个85华氏度的典型设定值。类似地，湿度的设定值在图上是用箭头3表示，举例说可代表一个55％RH的设定值。这些设定值是对一个未占用的封闭空间例如长时期离开房屋或者建筑物时所要求的常用选择。除了下面指明的限值变化外，所有这些区域的工作都是遵循图1中所示的占用方式的工作状态。

在区域II中，除了温度设定值通常是由使用者选择得高于上述值以外，工作状态与上述的工作状态相同。在本发明的一个实施例中，恒温器具有一个按钮空出特点，当被选定时可将温度调定到85华氏度以及使湿度设定值保持在占用方式调整值上。在区域IV内，HVAC系统的工作受到下面的温度和湿度限值的限制：

1.湿度设定值满足要求，而温度高于2和3项中所述的限值。

2.湿度高出设定值6％，但温度低于70华氏度，以及

3.湿度高出设定值0-6％，以及分别从76华氏度和湿度设定值起每1％RH误差温度下降1华氏度。

本发明的另一实施例提出使用一种多转速或者可变转速的压缩机。在此实施例中，可得到的最低的压缩机转速用在区域IV上以进一步限制显热能力和使装置的潜在能力最大。

现参看图3，其中示出一个结合有本发明的控制装置和控制方法的HVAC气候控制装置10。在该装置中包括一个恒温器20、一中央控制器30、一冷凝器风扇31、一压缩机32、一室内吹风机风扇33、一冷凝器34、一蒸发器35、一节流阀36、一封闭回路的制冷剂管路37和一蒸发器排泄盘38。

恒温器20包括一个使用温度调节装置21和温度传感器22，一个使用湿度调节装置23和湿度传感器24。恒温器20还包括一个使用者可选择的占用开关25和一个微处理机26。使用者分别在装置21和24上选择较理想的温度和湿度的调节。这些调节值被转换成数字信号并通向微处理机26。在一个实施例中，这些装置是数字触片。使用者还可相应于封闭空间是否由一些个人占用以及相应于通向微处理机26的信号用开关25来选择占用方式。温度传感器22和湿度传感器24产生一个相应于在封闭空间内的温度和湿度的数字信号。这些信号还被通向微处理机26。

微处理机将来自温度传感器的信号与相应的使用调节值比较，以及将来自湿度传感器的信号与相应的使用调节值比较从而产生相应于它们差值的误差信号。微处理机利用这些误差信号连同占用方式调节值和根据上述限值的算法以产生相应于室内吹风机命令和压缩机命令的低电压信号。这些低电压信号直接从恒温器通向HVAC系统。这是一个优于已有技术的显著差别。本发明的恒温器是独立的并可以直接控制单速和可变速的HVAC系统。例如，美国专利第5,062,276号揭示了一种用于控制可变速装置的分开的装置控制器。在‘276号专利中说明的该装置要求恒温器和湿度调节器分开并与装置控制器分离，因而不能应用于单速装置。

在空调器或者热泵以高湿度状态运行的循环工作过程中，室内吹风机工作应是断续的而压缩机被关掉以避免保持在排泄盘38内和在蒸发器盘管表面35上的水分再蒸发。这种再蒸发可发生到这样一种程度，即使一个通常的装置在一些工作状态时的水分去除无效。刚好在湿度高于湿度设定值时压缩机关闭后本发明的恒温器使室内吹风机停止工作5分钟。这将通过使累积在蒸发器上和排泄盘内的水分排掉而限制再蒸发。本发明的一个实施例结合有一个风扇开关，允许室内吹风机独立于受到上述限制的HVAC系统的其余部分而连续运行。

现参看图4，其中示出用于占用调节方式、相应于上述本发明一个实施例的微处理机算法逻辑的功能流程方框图。本发明的逻辑产生由不同温度和湿度调节值、被检测的温度和湿度状态以及占用状态确定的四种不同的工作响应41、42、43和44。参照图1，区域I对应于工作响应“正常”方式41，区域II对应于工作响应“冷却和降湿”方式42，区域III对应于HVAC系统关掉方式43，以及区域IV对应于“冷却到降湿”方式44。首先确定室温T，然后与温度设定值Tsp比较。如果室温比温度设定值低3华氏度，则命令工作响应43而将HVAC关掉。然后确定湿度，并与温度数据组合。例如，参看图4，如果室温T低于或者等于温度设定值Tsp，但不低于设定值3度，则可根据湿度确定工作方式。如果在室内检测到的湿度RH低于湿度设定值，则将再命令工作响应43并将HVAC系统关掉。如果被检测到的湿度高于湿度设定值6％，则可命令工作响应43并可通过循环或者降低室内吹风机的转速以及减小压缩机的工作负载来命令HVAC系统去除室内潜热。

区域IV的倾斜部分示出检测到的室内湿度高于湿度设定值但高出湿度设定值小于6％。在这种情况时，房间并不湿润到必需“过冷”空间。如果对于在检测到室温和温度设定值间每差1华氏度，检测到的室内湿度不高于湿度设定值2％，则可再命令工作响应44。在检测到的室温高于温度设定值的情况时，就要求一定水平的显冷。如果检测到的室内湿度低于湿度设定值，则命令工作方式41并使HVAC系统以“正常”方式工作，从而减小显热。如果检测到的室内湿度高于湿度设定值，则命令工作方式42并使室内吹风机断续循环或者降低转速以改善装置的潜热释放。这同样的功能流程方框图也适用于遵照上述规则的装置的未占用调节。

Claims (3)

1.一种用于控制一封闭空间的气候控制系统的控制装置，该气候控制系统具有一风扇和一压缩机，其特征在于，所述控制装置包括：

一个可以检测封闭空间内湿度并提供一个相应于被检测到的湿度的信号的湿度传感器；

一个可以检测封闭空间内温度并提供一个相应于被检测到的温度的信号的温度传感器；

一个被操作连接的微处理机，接受来自湿度传感器和温度传感器的信号、将检测到的温度和湿度与预定温度和预定湿度设定值相比较并将独立的能实现的信号发送给风扇和压缩机；

该微处理机以将能使风扇和压缩机全功率运行的独立信号送给风扇和压缩机的第一种工作方式工作，以及

该微处理机以发送能使压缩机全功率运行的信号以及发送能使风扇小于全功率运行的独立信号的第二种工作方式工作。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的微处理机还以发送能使压缩机小于全功率运行的信号和发送能使风扇小于全功率运行的独立信号运行的第三种工作方式工作。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的微处理机还以使风扇停止工作一预定的时间间隔的第四种工作方式工作。

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