CN101467828B

CN101467828B - 整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置及控制方法

Info

Publication number: CN101467828B
Application number: CN2007103004466A
Authority: CN
Inventors: 徐筱琪; 吴旭圣; 江旭政
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: CN101467828A

Abstract

一种整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置及控制方法，包括一床铺设备及一空调机是垂直的结合于该床铺设备，该空调机具有一至少一出风口，使该出风口可以送风于该床铺设备上形成一特定环境区域，其中该出风口的相对水力直径比范围介于0.45-0.85之间。本发明将个人/区域式空调与睡眠床整合，以提供使用者在睡眠区域的空气清净与制冷效果。本发明更包括整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的温度控制方法。

Description

整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置及控制方法

技术领域

本发明是关于一种整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置及控制方法，特别是关于一种在睡眠区作局部制冷的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置及方法。

背景技术

空调机已成为现代生活中不可缺少的家电产品，但空调机是用以制冷整个环境，并无法针对环境中某一特定区域进行制冷，除非有特别地设计。因此在夜晚睡觉时，常因空调机的舒眠控制无法适应每个使用者，所以产生睡眠品质不良的问题。睡眠占人一生中1/3的时间，现代人因生活压力等外在因素造成睡眠品质不佳，而拥有良好睡眠品质才有健康的身心。

个人空调系统于近年来渐受重视，基于国际间环保与能源节约的要求，大多数研究着重于商用空调系统效能、室内空气品质、生产力等的改善。所谓个人空调是指在使用者周边环境的制冷区域，提供舒适的个人空调环境而不必将能源浪费在无人的区域，而达到节约能源目的。Akimoto(T.Akimoto，M.Sasaki，T.Yanai，et al.Personalized HVAC systems in a sustainable office building-Field measurement of productivity and air change effectiveness，Proceedings ofHealthy Buildings 2006，265-270)与Sasaki(M.Sasaki，T.Yanai，T.Akimoto，et al.Personalized HVAC systems in a sustainable office building-Building designconcept and HVAC system performance，Healthy Buildings 2006，191-194)等人建立了一套工作环境空调系统(Task air-conditioning system，TAC)，并且进行了工作者热舒适度与生产力的研究及问卷调查。

此外，Chiang等人(H.C.Chiang，M.C.Yen，R.Hu，Numerical study ofpersonal air-conditioning system composed of partition-type fan-coil units and adedicated outside air system，Room Vent 2002，Copenhagen，Denmark，2002，221-224；H.C.Chiang，C.C.Su，C.S.Pan，F.H.Tsau，Study of an innovativepartition-type personal modulation air-conditioning system，Indoor Air 2003，Moterey，CA，USA，2002，289-294；C.S.Pan，H.C.Chiang，M.C.Yen，C.C.Wang，thermal comfort and energy saving of a personalized PFCU air-conditioningsystem，Energy and Buildings 37，2005，443-449)设计了一新的隔板式空调系统(partition-type fan-coil unit，PFCU)提供使用者很大的弹性与方便来控制区域环境的空调舒适。

日本公开第2005-156031号专利案是揭示一床铺具有一头部区与一足部区均分别设置有一空调装置，在床铺上方设有一可张开或收折的罩体，并利用两空调装置分别在头部区与足部区作用而达到头冷足热，以促进血液循环与快速入眠的效果。

个人空调系统与传统空调系统比较，个人空调系统具有以下的优点：

1.区域性制冷产生温度分层，可避免上层热量，达到能源节约的目的。

2.区域性换气可提高通风换气效率，改善空气品质。

3.使用较小型的出风口，靠近使用者使其可自行调整，以提升舒适性。

4.可安排在重要设备旁，以移除热量保持最好运转条件。

5.拥有良好的安装弹性，可随时变更出风口位置，满足空间新的布置。

本发明基于上述观念来开发一创新且具有健康与舒眠的空调系统，营造清净舒适与节能的睡眠环境。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种降低成本，利用简易空调机设计可达到头足温差的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置。

本发明的次一目的是提供一种系统简化，利用气流特性达到区域制冷的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置。

本发明的又一目的是提供一种不需外罩，减少压迫感的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置。

为达到上述目的的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置包括一床铺设备及一空调机，该空调机是垂直的结合于该床铺设备。当然该床铺设备可与该空调机连结或分开。该空调机具有至少一出风口，使该出风口可以送风于该床铺设备上形成一特定环境区域，其中该出风口的相对水力直径比范围介于0.45-0.85间，如此将个人/区域式空调与睡眠床整合，以提供使用者在睡眠区域的空气清净与制冷效果。

该环境区域包括有一使用者的头部区域与足部区域，而该头部区域周围温度小于一第一预设值。

当该出风口的相对水力直径比范围介于0.50-0.75间，该头部区域周围温度小于一第一预设值，且该头部周围气温与该足部区域周围的温差大于一第二预设值。其中该相对水力直径比是为出风口截面积的水力直径(D_H，hydraulic diameter)与相等圆形截面积的直径(D)的比值(D_H/D)。该水力直径为4A/P，P为周长，A为截面积。

该出风口设有至少一气流导板，可旋转地被调整送风角度。该空调机的一特定位置设有至少一回风口。该回风口位于该出风口下方，使气流流动达到较均匀舒适的分布。

本发明更包括有一冷能供应器，是提供该空调机一冷能。该空调机内部更包括有至少一吸热端热交换器，而该吸热端热交换器与一设置于一室外的排热端热交换器连接，该吸热端热交换器与该排热端热交换器间藉一流体流动将一热量自该吸热端热交换器传递至该排热端热交换器排放。

本发明更包括有复数个温度感知器与一控制单元，该复数个温度感知器是设置于该床铺与该环境区域，并将感知的温度传递至该控制单元。该复数个温度感知器是设置于该出风口与一回风口。

本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调控制方法，该方法包含：

启动空调机系统；

选择一般控制模式或舒眠控制模式；

选择一般控制模式，并判断一使用者头部区域周围温度是否小于一第一预设值，如大于该第一预设值则调整该空调机的送风温度、风量或角度；及

选择舒眠控制模式，并判断一使用者头部区域周围温度是否小于该第一预设值，且该使用者头部区域与足部区域的温度差大于一第二预设值，如不符合前述条件则调整该空调机的送风温度、风量或角度。

附图说明

图1为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的立体示意图。

图2为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的空调机第一实施例示意图。

图3为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的空调机第二实施例示意图。

图4为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的室内温度分布示意图。

图5为使用一般分离式冷气机的室内温度分布示意图。

图6为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的热感模特儿在不同出风条件下感受的环境等效温度变化示意图。

图7a、7b、7c为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的运转约一小时后的室内温度分布示意图。

图8为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的出风口相对水力直径比示意图。

图9为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的出风口示意图。

图10为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的导板示意图。

图11为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的温度控制系统示意图。

图12为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的温度控制流程示意图。

附图标号

10床铺设备

11环境区域 111头部区域

112足部区域 121、122、123、124、125温度感知器

13控制单元

20空调机

201吸热端热交换器 202压缩机

203膨胀阀 204排热端热交换器

21出风口 22回风口

23吸热端热交换器 24导板

241枢轴 242齿轮

243齿带 25马达

30冷能供应器

31排热端热交换器

40风扇

具体实施方式

本发明将个人/区域式空调与睡眠床整合，以提供使用者在睡眠区域的空气清净与制冷效果。针对睡眠区域局部性空调的系统设计，具有改善睡眠区域空气品质与提高使用者睡眠效率，且本发明对睡眠区域作局部制冷，不需移除整个房间的热量，故其制冷负荷相较于传统空调系统(分离式冷气机/窗型机)可减少能源消耗。

请同时参阅图1为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的立体示意图，本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置包含有一床铺设备10与一空调机20，该空调机20是呈垂直地结合于该床铺设备10的一侧。其中该空调机20可为一床头柜。该床铺设备10包括有一床铺，呈中空状的床铺或一床板连接四支脚，下方空间。该空调机20具有至少一出风口21，且该出风口21朝向该床铺设备10方向送风，使该出风口21可以送风于该床铺设备10上形成一特定环境区域11。该空调机20的一特定位置设置有一回风口22。

请同时参阅图2，3为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的空调机第一实施例示意图及空调机第二实施例示意图，本发明更包括有一冷能供应器30是提供该空调机20一冷能。如图2所示，该空调机20内部更包括有至少一吸热端热交换器23，而该吸热端热交换器23与一设置于室外的排热端热交换器31连接，该吸热端热交换器23与该排热端热交换器31间藉一流体流动将一热量自该吸热端热交换器23传递至该排热端热交换器31排放。该吸热端热交换器23位于该出风口21的一侧，而该吸热端热交换器23的另一侧设有一风扇40。因此，当风扇40启动时，即可将气流送经过该吸热端热交换器23而变成冷风从该出风口21吹出。

如图3所示，本发明的空调机第二实施例为该空调机内部包括有一吸热端热交换器(蒸发器)201、一压缩机202、一膨胀阀203与一排热端热交换器(冷凝器)204，该吸热端热交换器201与该排热端热交换器204间藉一工作流体自该吸热端热交换器201、该压缩机202至该排热端热交换器204进行放热，再经该膨胀阀203至该吸热端热交换器201吸热，并使一气流经过而产生冷气者。将该冷气自该出风口21送出者。

请同时参阅图4为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的室内温度分布示意图及图5为使用一般分离式冷气机的室内温度分布示意图，以电脑模拟方式比较本发明与传统空调系统的制冷效果，模拟结果如图4与图5所示。整体看来，于睡眠使用者周围的温度与气流分布皆可满足空调舒适的要求，温度分布约在26℃左右。另由图4中可看出，使用床铺整合型空调机时，室内温度明显产生分层现象，由于此系统只针对睡眠区域作局部制冷，不需移除整个房间的热量，故其制冷负荷相较于传统空调系统(分离式冷气机/窗型机)可减少，节省能源。

表1.电脑模拟结果比较

头部区域

腹部区域

足部区域

回风温度

制冷负荷

气温

风速

PMV

PPD

气温

风速

PMV

PPD

气温

风速

使用床铺整合型空调机

25.61℃

0.27m/s

-0.5

10％

27.37℃

0.35m/s

0.14

5％

28.63℃

0.30m/s

25.75℃

323.46W

使用一般分离式冷气机

27.13℃

0.08m/s

0.33

7％

26.59℃

0.11m/s

0.15

5％

26.42℃

0.16m/s

27.00℃

1518.85W

表1为将两空调系统对使用者舒适感受的影响作一详细比较，分析使用者头部、腹部与足部上方约1公分处的温度与风速，并计算其相对应的舒适度指标PMV(Predicted Mean Vote)、PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)。结果显示，两系统皆符合ISO7730(Moderate thermal environments-Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions forthermal comfort，ISO 7730，1994)中的空调舒适度要求，PMV在±0.5之间、PPD≤10％。因床铺整合型空调机的出风位置较接近使用者头部，造成使用者感受到的气流速度略大，但头部周围风速小于0.3m/s，故不会有冷流问题造成局部性热感不适。此外，使用者头、腹、足部的周围气温，于使用一般分离式冷气机时，三者温度差异不大。而使用床铺整合型空调机时，足部周围气温比头部周围气温高约3℃，造成所谓“头冷足热”的效果，根据相关医学研究(Wen-Chun Liao，Effects of passive body heating on body temperature andsleep regulation in the elderly：a systematic review，International Journal ofNursing Studies 39(2002)803-810；Wen-Chun Liao，Carol A.Landis，Martha J.Lentz，Ming-Jang Chiu，Effect of foot bathing on distal-proximal skin temperaturegradient in elders，International Journal of Nursing Studies 42(2005)717-722)，此具有促进人体血液循环进而缩短入睡所需时间，达到增加睡眠效率。利用以下公式可推估该空调系统的制冷负荷：

φ＝Q·ρ·c_p·ΔT

其中

φ：制冷负荷，W；

Q：风量，m³/s；

ρ：空气密度，kg/m³；

c_p：比热(specific heat)，J/kgk；

ΔT：回风温度与出风温度之差，K。

使用一般分离式冷气机的制冷负荷约为1518.85W，而使用床铺整合型空调机的制冷负荷约为323.46W，其能源节约可达78.7％。

以一简化的实验应证电脑模拟的可信度，组装床铺整合型空调机，其结构为空调机20与床铺设备10连结。本发明设置480个温度侦测器例如热电偶(thermal couples)量测室内温度分布，并以一热感模特儿(thermal Manikin)模拟真人，评估床铺整合型空调机提供的空调舒适度。如表2所示，证实其节能与舒眠效果。

如图6所示，热感模特儿在不同出风条件下感受的环境等效温度变化，3种出风条件所提供的温降速度相差不多，皆约在运转20多分钟后达到温度平衡。出风温度为18℃的设定，热感模特儿感受的环境等效温度在24.4℃左右，对睡眠的使用者来说会觉得太冷。出风量113cfm、出风温度20℃的条件设定对使用者来说可提供较舒适的睡眠空调环境，环境等效温度约在26℃左右，与电脑模拟所预估的结果吻合。

本发明利用480点温度侦测器量测运转约一小时后的室内温度分布，从图7a，7b，7c中可看出，室内温度明显产生分层现象，本发明针对睡眠区域局部制冷，避免室内上层高温负荷引入，比较一般分离式或窗型冷气机是对于整个空间做制冷，可节省能源消耗。以隔板式空调模组冰水机的进出水温及水量可计算得到制冷负荷，如表2所示，而一般分离式冷气机的制冷负荷达到1500W左右，针对可提供较舒适的睡眠空调环境的设定条件：出风量113cfm、温度20℃，其制冷负荷仅需485W左右，节省能源至少65％以上。

表2.不同出风条件的制冷负荷

出风条件	出风量113cfm、温度20℃	出风量70cfm、温度18℃	出风量113cfm、温度18℃
				制冷负荷	485.16W	388.29W	694.68W

根据以上结果，本发明确实能满足节约能源与空调舒适的要求，且同时具有改善睡眠区域空气品质与提高使用者睡眠效率。

请同时参阅图8，9，10为本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的出风口相对水力直径比示意图、出风口示意图及导板示意图，本发明空调机20的出风口21位于床头位置，该空调机20的风扇40可采用薄型风扇，该风扇40的送风量约在100～150cfm之间，产生的噪音值较低，使用者较能接受。当出风口21截面积在0.04m²左右时，其出风速度约为1.18m/s，此速度造成的动量已足够将送风气流送至较远处以避免短循环发生，且与周围热空气混合后，使用者感受到的气流速度小于0.5m/s，亦可避免冷流造成不适。所以出风速度不可太大，以免噪音值过高且会有冷流不适的问题。若出风速度太小，则动量不足以将送风气流送至较远处，会有短循环问题发生。另，该回风口22的截面积愈大愈可降低使用者头部区域111的气流速度，配合实际应用与美观设计合适的形状即可。

该出风口21的形状会影响送风冷气流与周围热空气的混合，在相同截面积与出风量条件下，出风口21形状愈接近圆形，送风冷气流与周围热空气的接触面积愈小，混合效应愈低，则送风气流可送至较远处，但冷气流扩散效果却不佳，使用者周围的气温冷却效果会降低，亦即不舒适。反之，该出风口21形状愈接近长条型，送风冷气流与周围热空气的接触面积愈大，混合效应愈高，则会有短循环问题发生。因此，该出风口21形状须有理想的设计范围，以确保送风气流可送至较远处，且使用者感受到的风速与气温是在舒适的范围内。研究不同出风口21形状对使用者周围气温的影响，如图8所示，该出风口21形状以长方形为主，1)理想设计范围为使用者头部周围气温需小于27℃，则出风口21的相对水力直径比须在0.45～0.85之间；2)舒眠设计范围为使用者足部与头部周围气温差需大于等于3℃，则出风口21的相对水力直径比须在0.50～0.75之间。该相对水力直径比是定义为出风口21截面积的水力直径(D_H，hydraulic diameter)与相等圆形截面积的直径(D)的比值(D_H/D)。而该水力直径为4A/P，P为出风口21的周长，A为出风口21的截面积。

因此本发明的环境区域11包括有一使用者的头部区域111与足部区域112，而该头部区域111周围温度小于一第一预设值时，而该第一预设值为27℃，是一理想的设计范围，让使用者头部区域11周围温度感受到舒适。当该出风口21的相对水力直径比范围介于0.50-0.75间，该头部区域111周围气温与该足部区域112周围的温差大于一第二预设值，而该第二预设值为3℃，是一舒眠的设计范围，让使用者头部区域111周围温度与足部区域112周围温度有温差而能促进人体血液循环进而缩短入睡所需时间，达到增加睡眠效率的功用。

如图9所示，该空调机20设有该出风口21，该出风口21设有至少一导板24，且该导板24是可转动以调整送风角度。如图10所示，该导板24是两侧设置有一枢轴241，该其中的一枢轴241则设有一齿轮242。将每一导板24安装在该出风口21，并让每一导板24的齿轮242套接在一链条243，并使该链条243可带动该导板24转动。本实施例是利用一马达25带动该链条243，使该链条243带动该齿轮242转动，进而让该导板24转动以调整送风角度，其他能让导板24转动的传动机构亦在本发明范围内。为方便该空调机20有回风，所以该空调机20的一特定位置设有至少一回风口22。尤其是该回风口22位于该出风口21下方。

请参阅图11本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的温度控制系统示意图，本发明更包括有复数个温度感知器121、122、123、124、125与一控制单元13，该复数个温度感知器121、122、123、124、125是设置于该床铺10与该环境区域11，并将感知的温度传递至该控制单元13。例如该头部区域111、足部区域112、腹部区域、室内环境区域、出风口21或回风口22等处。本发明包含一至多个温度感知器121、122、123、124、125，是用于细微的环境调整，当室内温度变化时，送风气流因温度造成的浮力差异，而些微偏离原出风口21最适当投射距离时，利用温度感知器121、122、123、124、125和控制单元13进行送风温度或者风量的微调，以达到最佳的环境控制。

请参阅图12本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置的温度控制流程示意图，本发明整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调控制方法包含：启动空调机系统；选择一般控制模式或舒眠控制模式；选择一般控制模式，并判断一使用者头部区域周围温度是否小于一第一预设值，如大于该第一预设值则调整该空调机的送风温度、风量或角度；及选择舒眠控制模式，并判断一使用者头部区域周围温度是否小于该第一预设值，且该使用者头部区域与足部区域的温度差大于一第二预设值，如不符合前述条件则调整该空调机的送风温度、风量或角度。其中该第一预设值为27℃，该第二预设值为3℃。

本发明藉由上述的空调控制方法来控制一般控制模式或舒眠控制模式，当启动空调机系统后，使用者可以选择一般控制模式或舒眠控制模式。如果选择一般控制模式，则该控制单元判断使用者头部区域周围温度是否小于一第一预设值，例如27℃。如果使用者头部区域周围温度大于该第一预设值，调整该空调机的送风温度、风量或送风角度，以微调最佳环境温度。如果使用者头部区域周围温度不大于该第一预设值，则表示系统在理想范围内此时不作动。当使用者选择舒眠控制模式，判断使用者头部区域周围温度是否小于该第一预设值，且该使用者头部区域与足部区域的温度差大于一第二预设值，例如3℃。如不符合前述条件则调整该空调机的送风温度、风量或送风角度，以微调最佳环境温度。如果符合前述条件则调整该空调机的送风温度、风量或送风角度，则不作动。

综上所述，本发明可取代一般传统空调系统，针对睡眠区域作局部性空调，整合床头柜与床铺，于床头柜位置设计合适的出风与回风口，调配适当的出风量与温度，可达到睡眠区域空调舒适与节能，符合专利要件，于是依法提出申请。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此领域的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此，本发明的保护范围，当视前附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该装置包含：

一床铺设备；及

一空调机，是垂直地结合于该床铺设备，该空调机具有位于床头位置的至少一出风口，使该出风口可以送风于该床铺设备上形成一特定环境区域，使得室内温度明显产生分层现象，针对睡眠区域局部作制冷，不需移除整间房间的热量，以节省能源；

其中，该出风口之相对水力直径比D_H/D范围介于0.45-0.85之间，D_H为出风口截面积的水力直径，D为相等圆形截面积的直径；而该出风口截面积的水力直径D_H为4A/P，P为出风口的截面周长，A为出风口的截面积。

2.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该环境区域包括有一使用者的头部区域与足部区域，该头部区域周围温度小于一第一预设值。

3.如权利要求2所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该第一预设值为27℃。

4.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该出风口的相对水力直径比范围介于0.50-0.75之间。

5.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该环境区域包括有一使用者的头部区域与足部区域，而该头部周围气温与该足部区域周围的温差大于一第二预设值。

6.如权利要求5所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该第二预设值为3℃。

7.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该出风口设有至少一导板。

8.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该空调机的一特定位置设有至少一回风口。

9.如权利要求8所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该回风口位于该出风口下方。

10.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该装置包括有一冷能供应器，是提供该空调机一冷能。

11.如权利要求1所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该装置包括有复数个温度感知器与一控制单元，该复数个温度感知器是设置于该床铺与该环境区域，并将感知的温度传递至该控制单元。

12.如权利要求11所述的整合床铺与空调机的辅助睡眠用空调装置，其特征在于，该复数个温度感知器是设置于该出风口与一回风口。