用于控制气流的温度和含水量的系统和方法与流程

本发明涉及一种使用接触装置来控制气流的温度和含水量的系统，该接触装置用于在第一介质与气流之间传递热能和水蒸气。本发明还涉及一种用于控制气流的温度和含水量的计算机实现的方法。

背景技术：

1、当今最严峻的挑战之一是气候变化。此外，建筑物占世界总能耗的约40％，这主要是由于室内空间中的气候控制。

2、通常，当提供气候控制时，被控制的空气参数是温度和相对湿度(即，空气的含水量)。已知有各种现有技术系统能够改变室内空气的温度和含水量，但是它们通常在购买和安装方面以及在它们运行时消耗的能量方面都是昂贵的。在世界上的许多地方，由于温度超出了诸如住宅或办公室等建筑物的期望范围，所以任何时候都需要气候控制。此外，空气可能太潮湿，或者可能具有必须被控制的随时间快速变化的湿度。

3、然而，已知的系统有严重的缺点。在一些情况下，这些系统不能在两个方向(即，增加和降低空气的温度和相对湿度)上控制空气的温度和含水量。这使得这些系统的使用受到限制，特别是在环境条件随时间变化的地区中，需要不同的操作模式以便获得稳定的室内环境。此外，许多系统通过在两个独立的步骤中控制湿度和温度来操作，从而在第一步骤中控制空气湿度，并且在第二步骤中控制温度。这是非常低效的，因为控制湿度通常是通过冷却空气以使水冷凝，然后再加热空气以达到期望的室内温度来进行的。以这种方式增加湿度也是不可能的，使得这样的系统的使用受到限制。

4、与该技术领域相关的一些现有技术系统是us9518765b2(laughman)、ep2971993b1(gerber)和jph11132593a(tanimotor)。

5、已知文献us10222078b2(ma)意识到了这些问题，并且试图通过在单个步骤中改变相对湿度和温度来克服这些问题，以避免空气的冷却和再加热。然而，us10222078b2(ma)没有提供如何解决这些问题的任何描述，并且对于该系统实际上如何操作也是模糊的。没有已知的系统输入可以提供系统内部或外部的任何参数的信息，也没有如何解决问题的真实教导。因此，技术人员不能实际构建us10222078b2(ma)所示的系统，也不能操作任何已知的系统来实现控制室内空气的温度和湿度或含水量的节能且可靠的气候控制。

6、因此，需要一种改进的系统和方法来克服这些缺点，并且为气流提供改进的温度和含水量控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是消除或至少最小化上述问题。这通过根据所附独立权利要求的用于控制气流的温度和含水量的系统和计算机实现的方法来实现。

2、根据本发明的系统包括：

3、接触装置，该接触装置用于在介质与流过接触装置的气流之间传递热能和水蒸气，并且被配置为允许介质与气流之间的接触，在该接触中传递热能和水蒸气，

4、第一控制装置，该第一控制装置用于控制介质的含水量，以及

5、第二控制装置，该第二控制装置用于控制介质的温度，

6、其中接触装置、第一控制装置和第二控制装置连接成使得介质能够在包括接触装置、第一控制装置和第二控制装置的回路中流动。

7、该系统进一步包括被配置为控制第一控制装置和第二控制装置的处理电路，并且该系统还包括：

8、第一传感器，该第一传感器被配置为测量介质的介质含水量参数wc介质，并且将指示介质含水量参数的信号发送到处理电路，所述介质含水量参数是指示介质中水的量的参数，

9、第二传感器，该第二传感器被配置为测量介质的介质温度t介质，并且将指示温度的信号发送到处理电路，

10、第三传感器，该第三传感器被配置为测量气流的空气温度t空气，并且将指示温度的信号发送到处理电路，以及

11、第四传感器，该第四传感器被配置为测量气流的空气含水量参数wc空气，并且将指示空气含水量参数的信号发送到处理电路，所述空气含水量参数是指示气流中水的量的参数，

12、其中所述第三传感器和所述第四传感器被配置为测量下游区段中的空气温度和空气含水量，所述下游区段是气流在流过接触装置之后经过的区段。

13、此外，处理电路被配置为通过以下方式控制通过接触装置的气流的空气温度和空气含水量：

14、从第一传感器接收包括介质含水量参数wc介质的第一输入信号，

15、从第二传感器接收包括测量的介质温度t介质的第二输入信号，

16、从第三传感器接收包括测量的空气温度t空气的第三输入信号，

17、从第四传感器接收包括测量的空气含水量参数wc空气的第四输入信号，

18、基于接收的参数，将介质的期望温度变化t变化和期望含水量变化wc变化确定为第一函数f1：

19、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气))

20、其中第二函数f2(t空气，wc空气)将空气温度t空气与空气含水量wc空气之间的关系定义为共因变量(co-dependent variables)，使得空气温度t空气和空气含水量wc空气中的一者的值的变化影响另一者的值，并且

21、其中，确定期望温度变化t变化和期望含水量变化wc变化使得流过接触装置的气流通过与接触装置中的介质接触而接近预定的温度设定值t设定和预定的含水量设定值wc设定。

22、此外，处理电路被配置为：

23、生成第一控制信号，该第一控制信号被配置为使第一控制装置将含水量变化wc变化应用于介质，使得介质含水量从介质含水量参数wc介质的值变化期望含水量变化f(wc介质，wc变化)，并且

24、生成第二控制信号，该第二控制信号被配置为使第二控制装置将温度变化t变化应用于介质，使得介质温度从测量的介质温度t介质变化期望温度变化f(t介质，t变化)。

25、该系统的优点在于其配置成以节能且因此成本有效的方式同时调节气流的温度和含水量。特别有利的是，处理电路被配置为使用传感器输入以及定义温度与含水量之间的关系的第二函数，从而可以确定介质的期望的温度变化和含水量变化，以便使气流的温度和含水量值接近设定值。

26、适当地，处理电路进一步被配置为：

27、重复地接收第一输入信号、第二输入信号、第三输入信号和第四输入信号，更新第一函数f1，以及

28、基于所述更新的第一函数f1更新第一控制信号和第二控制信号。

29、因此，处理电路能够使用反馈来将期望温度变化和期望含水量变化重复地应用于介质，以便空气含水量和空气温度接近设定值。

30、此外，该系统被适当地配置为将第一控制信号发送到第一控制装置，并且响应于所述第一控制信号而改变第一控制装置中的介质含水量。此外，该系统被适当地配置为将第二控制信号发送到第二控制装置，并且响应于第二控制信号而改变第二控制装置中的介质温度。因此，确定的温度变化和含水量变化可以以有效且方便的方式应用于介质，以便控制气流的温度和含水量。

31、在一些实施例中，该系统还可以包括：

32、第五传感器，该第五传感器配置为测量气流的上游空气温度t上游，并且将指示温度的信号发送到处理电路，以及

33、第六传感器，该第六传感器被配置为测量气流的上游空气含水量参数wc上游，并且将指示上游空气含水量的信号发送到处理电路，所述上游空气含水量参数是指示气流中水的量的参数，

34、其中所述第五传感器和所述第六传感器被配置为测量上游区段中的上游空气温度和上游空气含水量，所述上游区段是气流在流过接触装置之前经过的区段。

35、在这种实施例中，处理电路还被配置为：

36、从第五传感器接收包括测量的上游空气温度t上游的第五输入信号，

37、从第六传感器接收包括测量的上游空气含水量wc上游的第六输入信号，

38、以及确定第一函数f1：

39、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气)，t上游，wc上游)。

40、因此，可以考虑温度和含水量的当前值形式的气流的输入值，从而为介质确定的变化甚至更适合于以快速且节能的方式使气流接近设定值。

41、适当地，处理电路可以进一步被配置为基于接收的参数以及接触装置的至少一个接触装置参数cd将第一函数f1确定为：

42、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气)，cd)

43、因此，也可以考虑接触装置的特性，以便确定能够使气流接近设定值的介质的变化。

44、适当地，一个接触装置参数cd是通过接触装置的气流或介质的质量流量。此外，一个接触装置参数cd可以是背压。通过使用这些接触装置参数中的一个或两个，改进了确定能够使气流接近设定值的介质的变化。

45、此外，第一控制装置可以适当地包括缓冲器，该缓冲器又包括一定体积的介质。改变介质含水量然后适当地包括向缓冲器中添加水和/或通过再生一部分体积而从缓冲器中去除水。因此，介质的含水量可以以方便的方式改变。通过调节再生的介质的量，含水量可以以期望速率降低。相反地，通过调节加入到缓冲器中的水的体积，含水量可以以期望速率增加。

46、适当地，第二控制装置包括热交换器。因此，当介质经过热交换器时，介质的温度可以以方便、成本有效和节能的方式改变。

47、此外，第一传感器被适当地布置成测量回路中在第二控制装置下游但是在接触装置上游的介质的含水量参数wc介质。由此，在介质即将与气流接触之前，测量介质的含水量。这也给出了第一控制装置下游的介质的含水量的信息，从而测量任何新应用的含水量变化的结果。

48、此外，第二传感器被适当地布置成测量回路中在第二控制装置下游但是在接触装置上游的介质的温度t介质。因此，测量介质在经过第二控制装置之后的温度，从而得知介质即将与接触装置中的气流接触之前的温度。

49、此外，该系统可以适当地包括：至少一个附加传感器，该附加传感器被配置为测量介质的温度t介质或介质的含水量参数wc介质，其中该附加传感器被配置为测量在回路的不同于第一传感器或第二传感器的另一部分中的介质温度t介质或介质的含水量参数wc介质。由此，也可以在接触装置紧邻的下游或者在第一控制装置与第二控制装置之间测量介质的含水量和/或温度。特别感兴趣的是，在介质到达第一控制装置之前测量温度和/或含水量，因为这给出了接触装置中介质和气流之间的相互作用如何改变介质的这些参数的信息。这些变化可以通过将由第一传感器和/或第二传感器测量的含水量和/或温度与由附加传感器测量的含水量和/或温度进行比较来确定，并且给出关于多少热能已经在介质与气流之间经过和/或多少水蒸气已经在它们之间经过的信息。

50、处理电路可以进一步被配置为使用至少一个比例-积分-微分控制器pid来确定第一函数f1。这是确定第一函数的方便且非常合适的方式，从而以有效的方式控制介质的温度和含水量。在一些实施例中，一个pid可以用于确定期望温度变化和第二控制信号，而另一个pid可以用于确定期望含水量变化和第一控制信号。如果使用多于一个的pid，则它们都可以适当地访问第二函数，并且还被适当地配置为彼此通信，从而可以在它们之间传输信息。

51、在一些实施例中，处理电路可以替代地被配置为使用线性二次调节器lqr来确定第一函数f1。lqr是一种最优状态反馈控制器，旨在使由二次函数描述的成本最小化。这意味着最小的控制器工作量，同时消除了误差，这有利于以可靠且方便的方式提供第一函数以及第一控制信号和第二控制信号的确定。

52、此外，在一些实施例中，处理电路替代地被配置为使用模型预测控制mpc来确定第一函数f1。控制器的预测元件能够预测系统工作点的变化，并且在扰动事件发生之前使系统准备好消除扰动。这有利于有效控制气流的温度和含水量，同时使可能发生的扰动的影响最小化。

53、适当地，接触装置是蒸发器垫。因此，介质与气流之间的接触可以以方便且可靠的方式实现，同时还实现具有表面最大化特性的成本有效的接触装置，使得热能和水蒸气的传递可以以有效的方式进行。蒸发器垫还具有从气流中捕获颗粒的优点，从而过滤空气并且变得清洁。

54、替代地，接触装置可以是液体到空气膜式能量交换器lamee。这有利于提供热能和水蒸气的有效传递，同时防止介质的液滴进入气流并通过空气出口从接触装置去除。

55、适当地，介质是盐，诸如氯化钙cacl2、氯化镁mgcl2或硫酸钾k2so4。这有利于确保热能和水蒸气与气流之间的优良的传递。

56、此外，第一传感器被适当地配置为通过测量介质的蒸气压来测量介质含水量参数wc介质。因此，可以以方便的方式确定含水量。

57、本发明还包括一种用于控制在系统中的气流的温度和湿度的计算机实现的方法，该系统包括：接触装置，该接触装置用于在介质与流过接触装置的气流之间传递热能和水蒸气，该接触装置被配置为允许介质与气流之间的接触，在该接触中传递热能和水蒸气；第一控制装置，该第一控制装置用于控制介质的含水量；第二控制装置，该第二控制装置用于控制介质的温度；以及处理电路，该处理电路被配置为控制第一控制装置和第二控制装置，其中接触装置、第一控制装置和第二控制装置连接成使得介质能够在包括接触装置、第一控制装置和第二控制装置的回路中流动。所述方法包括：

58、在处理电路中接收来自第一传感器的第一输入信号，所述第一输入信号包括指示介质的含水量的测量的介质含水量参数wc介质，

59、在处理电路中接收来自第二传感器的第二输入信号，所述第二输入信号包括指示介质的温度的测量的介质温度t介质，

60、在处理电路中接收来自第三传感器的第三输入信号，所述第三输入信号包括测量的空气温度t空气，该测量的空气温度指示系统的下游区段中的气流的温度，所述下游区段是气流在流过接触装置之后经过的区段，

61、在处理电路中接收来自第四传感器的第四输入信号，所述第四输入信号包括测量的空气含水量参数wc空气，该测量的空气含水量参数指示系统的下游区段的气流中的水的量，

62、使用处理电路基于接收的参数将介质的期望温度变化t变化和期望含水量变化wc变化确定为第一函数f1：

63、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气))

64、其中第二函数f2(t空气，wc空气)将空气温度t空气与空气含水量wc空气之间的关系定义为共因变量，使得空气温度t空气和空气含水量wc空气中的一者的值的变化影响另一者的值，并且

65、其中，确定期望温度变化t变化和期望含水量变化wc变化使得流过接触装置的气流通过与接触装置中的介质接触而接近预定的温度设定值t设定和预定的含水量设定值wc设定。

66、此外，该方法包括：

67、使用处理电路来生成第一控制信号c1，该第一控制信号被配置为使第一控制装置将含水量变化wc变化应用于介质，使得介质含水量从介质含水量参数wc介质的值变化期望含水量变化f(wc介质，wc变化)，并且

68、使用处理电路来生成第二控制信号c2，该第二控制信号被配置为使第二控制装置将温度变化t变化应用于介质，使得介质温度从测量的介质温度t介质变化期望温度变化f(t介质，t变化)。

69、在一些实施例中，所述方法还包括：

70、在处理电路中重复地接收第一输入信号、第二输入信号、第三输入信号和第四输入信号，

71、使用处理电路来更新第一函数f1，以及

72、使用处理电路基于所述更新的第一函数f1来更新第一控制信号和第二控制信号。

73、此外，在一些实施例中，所述方法包括：

74、将第一控制信号发送到第一控制装置，所述第一控制装置被配置为改变介质的介质含水量，以及

75、响应于所述第一控制信号改变介质含水量。

76、此外，所述方法可以适当地包括：

77、将第二控制信号发送到第二控制装置，所述第二控制装置被配置为改变介质的介质温度，以及

78、响应于所述第二控制信号改变介质温度。

79、此外，所述方法可以包括：

80、在处理电路中接收来自第五传感器的第五输入信号，所述第五传感器被配置为测量气流的上游空气温度t上游，所述第五输入信号包括测量的上游空气温度t上游，

81、在处理电路中接收来自第六传感器的第六输入信号，所述第六传感器被配置为测量气流的上游空气含水量参数wc上游，所述第六输入信号包括测量的上游空气含水量参数wc上游，以及

82、基于接收的参数将第一函数f1确定为：

83、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气)，t上游，wc上游)。

84、在一些实施例中，所述方法还包括：

85、基于接收的参数和接触装置的至少一个预定接触装置参数cd将第一函数f1确定为：

86、(t变化，wc变化)＝f1(t介质，wc介质，t空气，wc空气，f2(t空气，wc空气)，cd)

87、适当地，所述方法可以包括使用至少一个比例-积分-微分控制器pid来确定第一函数f1。

88、替代地，所述方法代替地包括使用线性二次调节器lqr来确定第一函数f1。

89、在一些实施例中，所述方法代替地包括使用模型预测控制mpc来确定第一函数f1。

90、所述方法的这些各种特征实现了上面参考本发明系统的对应实施例所述的优点。

91、本领域技术人员根据以下详细描述将容易理解本发明的许多附加益处和优点。