用于整合hvacr和其它能量效率和需求响应的系统和装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请基于35U. S. C. 119 § (e)要求2013年3月15日提交的在先美国临时专利 申请No. 61/799, 501的权益，上述申请通过引用完整地合并于本文中。
技术领域
[0002] 本发明涉及用于自动地控制和优化包括经由电动控制系统控制的燃气的、燃油的 和燃烧丙烷的加热设备的电控制能量消耗设备的系统和装置。本发明也涉及包括所述装置 的加热、通风、空气调节和制冷设备系统以及在这样的系统中使用所述装置的方法。
【背景技术】
[0003] 已设计出加热、通风、空气调节和/或制冷（"HVACR"或"HVAC&R"）控制系统来执 行两个主要功能：温度调节和除湿。对于碳足迹和绿色技术的日益关注已导致许多能量相 关的改进，包括更有效的制冷剂、变速压缩器和风扇、循环修改以及更有效的燃烧器。尽管 可以在新HVAC&R设备的许多单元上发现这些改进中的一些，但是有较老的现有设备的大 安装基座仍然在工作，但不能利用这些能量相关改进作为改造改进。
[0004] 应对能源使用的普通改造技术包括许多方法，例如设置点缩减（setpoint curtailment)，温度预期，设备分级，变速风扇、燃烧器和压缩器，以及闭环负载感测代替基 于定时器。通常难以使用这些方法改造现有的设施，原因是这些方法高度依赖于HVAC&R设 备、配置和安装细节。将常规节能方法加入现有HVAC&R系统会是成本高的和耗时的。
[0005] 美国专利 No. 5, 687, 139 和 5, 426, 620 (Budney ' 139 和 '620 专利）部分地涉 及在电设备的单独单元的控制信号线中的专用控制开关（例如标准空调单元上的控制 信号线），其组合数字再循环计数器和电负载的控制线。控制装置的数字再循环计数 器与预设置一起使用以便对广大范围的电动设备提供需求控制。除了所述的Budney 专利以外，许多其它专利也涉及HVAC&R系统和设备功率和需求控制和管理。在这方 面，本申请通过引用完整地合并下列的每一个：美国专利Nos. 5, 426, 620 (Budney)， 5, 687, 139 (Budney)，7, 177, 728 (Gardner)，5, 735, 134(Sheng Liu 等），6, 658, 373 (Rossi 等），5, 261，247 (Knezic 等），5, 996, 361 (Bessler 等），5, 669, 222 (Jaster 等），以及 7, 242, 114(Cannon 等）〇
【发明内容】
[0006] 本发明的特征是提供一种用于加热、通风、空气调节和/或制冷（HVAC&R)系统的 装置，其使用来自蒸汽压缩蒸发器和/或其它源的反馈信号和用于补充预定（pre-fixed)、 习得设置（learned setting)(经由优化和模糊逻辑程序）或缺省设置的可能其它物理信 号进行控制，以优化冷却和制冷设备中的压缩器操作（运行时间），并且也由此改善蒸发器 中的热传递。
[0007] 另一特征是提供一种装置，其可以以类似方式优化燃气的、燃油的和燃烧丙烷的 加热设备中的燃烧器操作，并且也由此改善横越燃烧器的热交换器的热传递。
[0008] 另一特征是提供一种装置，其可以用于优化压缩空气或其它气体压缩操作中的压 缩器操作。
[0009] 本发明的附加特征和优点将部分地在以下描述中进行叙述，并且部分地将从描述 变得明显，或者可以通过本发明的实施而获悉。本发明的目标和其它优点将借助于特别在 描述和附带的权利要求中指出的元件和组合实现和获得。
[0010] 为了获得这些和其它优点，并且根据本发明的目的，如本文中体现和宽泛地描述， 本发明涉及一种用于自动地控制和管理由交流电流供电的能量消耗设备的负载需求和操 作的电子控制器装置，其包括：a)控制器开关，所述控制器开关与控制信号线可串联地连 接，所述控制信号线与控制操作功率流动到负载单元的负载单元控制开关连接；并且所述 控制器开关能够打开和闭合所述控制信号线；b)包括计数器的数字再循环计数器，所述计 数器用于生成所述控制信号线中的振荡控制信号的振荡的计数，并且能够限定所述负载单 元的经过运行时间间隔和经过空闲时间间隔；c)数字定时器，所述数字定时器用于提供实 时（real time)的输入索引，并且能够限定所述负载单元的经过运行时间间隔和经过空闲 时间间隔；d)学习模块，所述学习模块用于输入信息的分析和算法的导出，用于所述负载 单元的能量使用和/或需求的改善优化，包括初始缺省值和查找表中的至少一种，其能够 保证负载单元在恒温负载下以不大于习得每小时操作循环次数运行；e)外部调节装置，所 述外部调节装置能够与用于感测与所述负载单元的负载单元循环和/或空间的温度相关 的至少一个物理值的至少一个传感器通信；f)高值选择控制信号装置，所述高值选择控制 信号装置能够从由b)、c)、d)和e)中的两个或更多个获得的输入信号选择最高或最低值并 且将被选择信号作为高值选择控制信号输出到所述控制器开关，其中来自所述负载单元的 反馈信号可由所述电子控制器装置处理以用于补充预定、习得设置或缺省设置以优化冷却 和制冷设备中的负载单元操作（运行时间），并且也由此改善蒸发器中的热传递，并且也以 类似方式优化燃气的、燃油的和燃烧丙烷的燃烧器操作，并且也优化压缩空气或其它气体 压缩操作。
[0011] 本发明也涉及一种加热、通风、空气调节或制冷（HVAC&R)系统，其包括所述的控 制装置，恒温器或其它控制信号源，以及可操作地连接到电源线的至少一个HVAC&R负载单 J L 〇
[0012] 本发明也涉及一种用于自动地控制和管理由电力供电的HVAC&R负载单元的负载 需求和操作的方法，其包括在用于负载装置的恒温器或其它控制信号源和用于所述负载装 置的设备负载控制开关之间的控制信号线中电连接所述控制装置的步骤。
[0013] 应当理解前面的一般描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，并且 旨在提供本发明的进一步解释，如权利要求所述。
【附图说明】
[0014] 包含在本申请中并且构成本申请的一部分的附图示出本发明的一些实施例并且 与描述一起用于解释本发明的原理。
[0015] 图1是包括根据本发明的例子的电子控制器装置的HVAC&R系统的方块/示意图。
[0016] 图2A是显示在正常控制下以设计负载操作的4单元空调系统的操作的绘图（安 培和小时），并且图2B是显示在建筑物管理系统下的模拟的绘图，显示在根据本发明的例 子的原型控制器装置下的相同4单元空调系统的操作，并且显示相同负载的减小能量消耗 (安培和小时）。
[0017] 图3A是显示蒸汽压缩冷却或制冷系统的基本部件和热动力学循环的标记图。
[0018] 图3B是显示蒸汽压缩冷却或制冷系统的机械部件的标记图。
[0019] 图4A和4B是显示在优化燃气商业家用热水锅炉燃烧器的操作中的根据本发明的 原型例子的控制器装置的试验的绘图（° F和小时）。
【具体实施方式】
[0020] 本发明部分地涉及用于提供HVAC&R系统或其它电控制冷却和/或加热系统和/ 或气体压缩或压缩空气系统等中的自动控制的电子控制器装置。本发明的控制器装置可以 包括封闭在图1中的虚线卵圆1内、标记"能量效率/需求控制装置"的单元。参考图1，交 流电通过电源线3经由测量在该位置处的电能的电能使用和需求的交流功率计2被供应。 通过负载单元控制开关4,交流电供应能量消耗负载单元5,在所提供的例子中，HVAC&R压 缩器或燃烧器，或气体压缩/压缩空气压缩器。交流电也可以通过辅助设备控制开关7供 应辅助设备6。
[0021] 在卵圆1内的本发明的装置中，高值选择中央处理单元（CPU) 8接收来自多个源的 输入，确定高值选择最佳优化信号以优化控制器开关9。在图1的图示中，这些输入包括数 字再循环计数器10,数字时钟11，和学习模块12。学习模块12又接收来自制造商数据的查 找库13的输入和与设备能量优化相关的历史算法输入。学习模块12也接收来自操作日志 模块14的输入，所述操作日志模块包含经由传感器15 (例如，制冷剂质量流率传感器、温度 传感器、压力传感器等）获得的、通过外部调节装置调节的设备操作变量的运行数据集。装 置1可以经由本地或远程输入/输出用户接口 17(例如，恒温器或其它控制信号源）进行 操作，并且查看其输出和输入。
[0022] 使用本发明的电子控制器装置，来自蒸汽压缩蒸发器或其它源的反馈信号和可能 其它物理信号可以用于补充预定、习得（经由优化和模糊逻辑程序）或缺省设置以优化冷 却和制冷设备中的压缩器操作（运行时间），并且也由此改善蒸发器中的热传递。效果可 以是改善单元的能量效率比（EER)、季节能量效率比（SEER)和性能系数（C0P)。而且，电子 控制器装置可以允许各种补充命令或其它外部系统信号改变这些预定、习得或缺省设置以 输送需求响应和"智能电网"功能性。这些外部命令控制信号可以有用于空气调节或制冷 能量消耗的极端控制"节流"，经由外部恒温传感器受到保护，允许各种水平的电需求减小 (建筑物分区，设施，或电网分区）。该需求控制器装置和机构也可以有用于经由不同的机 构和热力学作用保证关联设施上的太阳能PV电功率的设置分配的可靠性，例如美国专利 No. 7, 177, 728中所示的系统的改进，并且允许优化例如用于空间和水加热和过程加热的燃 气的、燃油的和燃烧丙烷的设备（燃料燃烧加热）。在燃料燃烧加热设备的情况下，来自补 充温度或压力感测装置或传感器的反馈信号可以用于补充预定、习得或缺省设置以优化燃 料燃烧加热设备中的燃烧器操作（运行时间），并且也由此改善燃烧器燃烧空间中的热传 递到加热介质（空气或水）。而且，允许各种补充命令或其它外部系统信号改变这些预定、 习得或缺省设置以输送需求响应和其它功能性。本发明的电子控制器装置可以相对于以前 用于HVAC&R系统的控制器设备（例如在所述的'139和'260 Budney专利中所示的那些） 提供能量效率和/或需求控制的更进一步改进。
[0023] 另外，最近已出现关于具有互联网连接的联网、建筑物范围控制系统的安全问题 的关注。本发明提供一种巧妙的"单点能量管理系统"方法以在整体HVAC&R装