DE69730613T2

DE69730613T2 - Modulierende flüssigkeitsregelvorrichtung

Info

Publication number: DE69730613T2
Application number: DE69730613T
Authority: DE
Inventors: Douglas S Mcintosh
Original assignee: McIntosh Douglas S Pointe Claire
Current assignee: McIntosh Douglas S Pointe Claire
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: EP0943070B1; WO1998025086A1; DE69730613D1; AU5219598A; US5904292A; CA2274057A1; ATE275716T1; EP0943070A1

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulierende Fließmedium-Steuer-Vorrichtung für auf einem Fließmedium basierende Heiz- und Kühlsysteme, und insbesondere betrifft sie ein smartes Steuerventil für solche Systeme.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufheizung oder Abkühlung einer thermischen Last, beispielsweise ein Raum in einem Gebäude, ein Prozeß, ein Energieverteilungssystem etc. wird gegenwärtig durch bis zu drei separate Instrumente gesteuert und/oder überwacht, einschließlich (1) einem Steuerventil, welches das Ausmaß der Strömung durch die Wärmetauschervorrichtung auf die Anforderungen eines Thermostats abstimmt; (2) einem einstellbaren Begrenzungsventil, um das System durch Beschränkung der maximalen Strömung in diesem Abschnitt auszubalancieren und (3) einem BTU-Meßinstrument, um das Ausmaß der Energie, die verbraucht wird, zu überwachen. Diese drei Vorrichtungen beeinflussen sich manchmal ungünstig, wobei sie Unausgeglichenheiten, Geräusch, etc. erzeugen, und erfordern auch mehr Pump-Pferdestärke als lediglich durch ein Instrument benötigt, wobei sie somit Energieerfordernisse und Kosten erhöhen.
(1) Steuerventile
Das gegenwärtige Sortiment von Steuerventilen, die vom Thermostat moduliert oder reguliert werden, treiben in effektiver Weise den Betätigungsstößel des Ventils auf eine vorgegebene Höhe oder einen Verdrehungsgrad. Derartige Steuerventile verwenden Rückkopplungsventile, die auf die Stößelposition und/oder deren Bewegung bezogen sind, und den Rückkopplungskreis ausbalancieren. Beträchtliche Verfeinerungen wurden mit parabolisch geformten Stöpseln oder dreieckigen Schlitzen erreicht, um sich der Stellung des Stößels relativ zum Strömungsausmaß anzunähern, jedoch vereiteln Veränderungen in den Systemdifferenzialdrücken, die vielleicht anderswo in Gebäude oder Wassersystemen hervorgerufen werden, die Genauigkeit dieser komplex bearbeiteten Begrenzungsformen, wobei die Steuerventile wechselnden Differenzialdrücken unterworfen oder druckabhängig sind. Weiterhin ist die Strömung nicht immer auf die wirklich gepumpten BTU's bezogen, sondern auch abhängig von einer am Wärmetauscher entnommenen Differenztemperatur abhängig, wodurch somit die Genauigkeit des Steuerventils weiterhin eingeschränkt wird.
(2) System-Ausbalancierungsventile
Die gegenwärtigen Ausbalancierungsventile sind einfache Begrenzungsventile, die so einjustiert sind, daß sie den Maximalfluß begrenzen, und sie erfordern eine genaue und zeitraubende Einstelljustierung und ein genaues Strömungsmeßinstrument, von denen es viele Typen gibt, aber da sich wiederum die Sytemdifferenzialdrücke aufgrund der wechselnden Belastungen in anderen Teilen des Fließmediumströmungssystems verändern, wird die Meßgenauigkeit dadurch beeinflußt, daß diese Begrenzungsausgleichsventile druckabhängig sind.
(3) Meßinstrumente
Der gegenwärtige Trend bei einer BTU-Messung ist eine Angelegenheit der Strömungsmessung multipliziert mit der Einlaßtemperatur abzüglich Auslaßtemperatur mal einer Konstanten, und BTU-Meßinstrumente bestehen deshalb aus einem Strömungsmesser, der in der Fließmedium-Rohrleitung montiert ist, und zwei Temperatursonden, eine für das Einspeiswasser und die andere für das Rückflußwasser aus dem Wärmetauscher. Obwohl sie sehr genau sind, sind diese Vorrichtung kostspielig, und führen zur Verwendung eines Ersatzes und ungenauen Kompromissen.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine effizientere und effektivere wie auch weniger kostspielige Annäherung bei der Temperatur und Energiehandhabung in Gebäuden, in Energieverteilnetzwerken und in Prozeßsteuersystemen zu vermitteln, wo immer eine Temperaturübertragung involviert ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen genauen Strömungsmesser in ein Steuerventil zu inkorporieren, um eine modulierende Rückkopplung direkt aus diesem Strömungsmesser zu vermitteln, anstatt aus der Ventilstößelstellung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es weiterhin ein Ziel, Temperaturmeßabnahmestellen für eingespeistes und zurückströmendes Fließmedium zu vermitteln, und so in effektiver Weise alle drei Instrumente in einem druckunabhängigem Steuerventil/Ausbalancierungsventil-BTU-Messer für wenig zusätzliche Kosten gegenüber denen eines einfachen Steuerventils vorzusehen.
Es ist aus DE-A-35 33 160 bekannt, einen Steuerkreis für ein Heiz- und Kühlsystem vorzusehen, in welchem die Vorrichtung zur Feststellung der Strömung und die Temperatursensoren jeweils separat in einem Steuerkreis installiert und miteinander über ein Rohrwerk und eine Verdrahtung verbunden sind, wobei dann, wenn die festgestellte Strömung größer als ein Maximum ist, ein Begrenzungskreis die Ventilsteuervorrichtung umgeht, um auf diese Weise die Strömung auf diesen Maximalwert zu reduzieren.
Es ist ferner aus EP-A-0 035 085 bekannt, eine modulierende Fließmedium-Steuer-Vorrichtung für ein auf einem Fließmedium basierendes Heiz- und Kühlsystem für eine gemessene Umgebung vorzusehen, wobei die Vorrichtung alle im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifizierten Merkmale aufweist.
Die vorliegenden Erfindung betrifft eine modulierende Fließmedium-Steuer-Vorrichtung für ein auf einem Fließmedium basierendes Heiz- und Kühlsystem für eine Meßumgebung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsfeststellmittel im Ventilkörper angeordnet sind und das Ventilsteuergerät mit einer maximalen Fließmedium-Durchflußmenge durch das Ventil programmiert ist und auf das Rückkopplungssignal aus den Strömungsfeststellmitteln reagiert, um ein Ausmaß der Strömung des Fließmediums durch das System zur Fließmedium-Ausbalancierung durch Begrenzung der Stellung des Ventil durch die programmierte maximale Fließmedium-Durchflußmenge zu begrenzen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt die Fließmedium-Steuer-Vorrichtung weiterhin ein Paar von Temperatursensoren. Der erste der Sensoren ist zur Messung der Temperatur des Fließmediums angeordnet, welches zum Wärmetauscher gelangt. Der zweite dieser Sensoren ist zur Messung der Temperatur des Fließmediums angeordnet, welches den Wärmetauscher verläßt. Jeder Sensor vermittelt ein Signal, welches für die Temperatur des Fließmediums an der betreffenden Sensorlokalisierung repräsentativ ist. Alternativ kann der Einspeisfließmediumsensor allen Steuervorrichtung gemeinsam sein. Auf diese Weise werden auch Rohrleitungslasten (Wärmeverluste während der Übertragung) gezählt. Das Ventilsteuergerät ist angeordnet, um den BTU-Gewinn oder -Verlust im Fließmedium zwischen den Sensoren und dem Steuerventil zu berechnen, um in Abhängigkeit von diesen Berechnungen einen gewünschten Strom an BTU's zu vermitteln. Der BTU-Verlust oder -Gewinn kann in Kenntnis des Stromes berechnet werden, und diese BTU(Kalorie)-Zahl kann als Rückkopplung anstelle einer Stößelhöhe oder einfachen Strömung zur genauen Steuerung der tatsächlichen zu einer gegebenen Zeit abgegebenen BTU's zum Zwecke der Effizienz, der Energieüberwachung und Abrechnung verwendet werden.
Während eine analoge elektronische oder pneumatische Steuervorrichtung diese Aufgaben erfüllen könnte, ist es ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, daß die Ventilsteuervorrichtung eine programmierbare, integrierte Steuervorrichtung (PIC) ist, die befähigt ist, Signale aus dem Sensor oder den Sensoren und Strömungsfeststellmitteln zu empfangen, und programmiert ist, um das Ventil in Abhängigkeit von Signalen, die von dem Sensor oder den Sensoren und den Strömungsfeststellmitteln empfangen werden, zu steuern.
In Abhängigkeit von dem Wärmeübetragungs-Fließmedium (Luft, Wasser, Glycol, Öl, usw.) können die Ventilmechaniken mit zwei Öffnungen, drei Öffnungen oder vier Öffnungen versehen sein, in jedem Fall jedoch mißt ein interner Strömungsmesser und wirkt als Rückkopplung und das pneumatisch oder elektrisch motorisierte Ventil, um zur Regulierung der Strömung in und/oder aus der Wärmetauschervorrichtung genügend zu schließen, wird für die Meßumgebung gesteuert. Keine Strößelposition-Rückkopplung ist nunmehr erforderlich, da die Strömung überwacht wird, wobei die Stellung des Stößels irrelevant ist.
Das multiple Instrument der vorliegenden Erfindung kann auch Temperaturabnehmstellen einschließen, wo eine BTU-Messung erforderlich ist, und kann eine programmierbare integrierte Steuervorrichtung einschließen oder einen Gebäudeautomationssystem-Computer oder andere pneumatische oder elektri sche/elektronische logische Relais-Vorrichtungen benutzen, um die Strömung und/oder BTU's etc. zu berechnen.
In Klimatisierungs- und/oder Kühlsystemen, wo Luft das Fließmedium ist, können auch Gesamtwärmesensoren erforderlich werden, um sowohl die latente wie auch die fühlbare Wärme zu messen, wobei diese Sensoren die Temperatursensoren ersetzen oder vermehren.
Vorteile dieser Instrumente werden am meisten ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit Gebäudeautomationssystemen eingesetzt werden, wo Komfort und Energiemanagement nun genau gemessen und gesteuert werden können. Ferner kann eine Systemausbalancierung nun vom vorderen Ende des Gebäudemanagementsystems (Bedienungsperson-Konsole) bequemer und genauer erfolgen, weiterhin verbessert durch aktuelle und akkurate BTU-Überwachung und/oder -Steuerung, da die Verwendung dieser druckunabhängigen Steuervorrichtung eine größere Genauigkeit, weniger Leitungsbeschränkung und somit kleinere Fließmediumpumpkosten vermittelt.
Ohne jede zusätzliche Installation, wobei lediglich ein Instrument zu installieren ist, werden zwei Instrumente überflüssig, die zusätzlichen Software-Kosten werden durch gesparte Kapitalauslagen und gesparte laufende Kosten bei weitem ausgewogen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und nach Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen
1 eine schematische Seitenansicht eines Vieröffnungs-Dreiwege-Steuerventils in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, welches einschließt: zwei Temperatursensoren, einen Strömungsdetektor, einen Raumthermostat, ein programmierbares integriertes Steuergerät (PIC), Öffnungen zum und vom Wärmetauscher, oder von oder zu der Last und Öffnungen von und zu der Fließmedium-Einspeisung und -Rückführung, und
2 eine schematische Ansicht eines Zweiöffnungs-Zweiwege-Kugelventils in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, darauf eingerichtet einen Fließmediumströmungssensor und einen einzigen Temperatursensor einzuschließen, wobei der zweite Sensor, der für BTU-Berechnungen benötigt wird, im Leitungssystem außerhalb des Ventils angeordnet werden muß, und
3 eine schematische Seitenansicht einer Fließmedium-Steuer-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, die an ein variables Luftvolumen(VAV)-Steuerventil für ein variables Luftvolumensystem angepaßt ist.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der folgenden Beschreibung sind gleichen Merkmalen in den Zeichnungen gleiche Bezugszahlen gegeben.
In 1 ist eine Fließmedium-Steuer-Vorrichtung 2 für ein auf Wasser, Öl oder Glycol oder auf einer anderen Flüssigkeit basierendes Heiz- oder Kühlsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist ein herkömmliches Dreiwege-Vieröffnungs-Ventil 4 vorgesehen mit einem Körper 6, der eine Fließmedium-Einlaßöffnung 8 zu dem steuernden Ventilstöpsel 12 und eine Fließmedium-Auslaßöffnung 10 zum (nicht dargestellten) Wärmetauscher ausbildet. Vom Wärmetauscher zurückkehrendes Fließmedium tritt in die Öffnung 13 ein und gelangt durch die Öffnung 14 zur (nicht dargestellten) Heiz- oder Kühleinheit zurück. Der Ventilstöpsel 12 ist zwischen einer (dargestellten) offenen Position, die es dem Fließmedium gestattet, von der Einlaßöffnung 8 über die Öffnung 10 zum Wärmetauscher und über die Öffnung 13 und die Öffnung 14 für den fraglichen Raum zurück zu gelangen, oder einer geschlossenen (gestrichelt dargestellten) Position, welche diesen Durchtritt blockiert, es dem Fließmedium aber gestattet, von der Einlaßöffnung 8 direkt über die Verengung 15 und den Durchtritt 16 zu und durch die Auslaßöffnung 14 zu fließen, ohne den Wärmetauscher zu passieren, und Positionen zwischen diesen beiden beweglich ist, in welchen einiges Fließmedium in jede Richtung umgelenkt wird, wobei sich der Rückfluß aus dem Wärmetauscher in der Öffnung 14 vermischt. Ein ähnlicher Typ eines Dreiwege-Ventils, welches als Umleitventil bekannt ist, kann vorgesehen werden, um das Wasser an der Einspeisung zu vermischen; somit erfolgt die Umleitung in einer Zuführöffnung bei der Einspeisung mit allen Strömungen, umgekehrt gegenüber den in 1 dargestellten, jedoch bleibt das Prinzip dasselbe.
Die Positionierung des Ventilstöpsels 12 ist von der Temperatur abhängig, die am Wärmetauscher, wie von einem Thermostat 18 vorgeschrieben, gewünscht ist und von der erforderlichen Temperatur, die in der Nähe des Tauschers aufrecht erhalten werden soll. Der Thermostat 18 kann alternativ oder zusätzlich ein Humidistat und ein Sensor und Steuergerät sein.
Die Stellung des Ventilstöpsels 12 kann auch gesteuert oder aufgehoben werden durch einen maximalen programmierten Strömungsgrad in Gallons oder BTU, falls so durch den Gebäude-Automation-System-Computer oder in anderer Weise verlangt. In diesem Zusammenhang ist ein programmierbares, integriertes Steuergerät (20), wie dargestellt, dem Ventilstöpsel 12 zugeordnet. PIC 20 ist geeignet, einen Ventilmotor 21 zu steuern, um den Ventilstöpsel 20 zu positionieren und hierdurch die Fließmediumströmung zum Wärmetauscher für den Raum durch Öffnung 10 oder Auslaß 14 zu regulieren. Während im dargestellten Ausführungsbeispiel der PIC 20 direkt mit dem Motor 21 für den Ventilstöpsel 12 verbunden ist, kann auch ein entfernt hiervon angeordneter Computer oder Mikroprozessor, beispielsweise in einem Managementbüro für ein Gebäudesystem, Anwendung finden. An der Öffnung 10 ist, wie gestrichelt dargestellt, ein Strömungsdetektor 22 vorgesehen, um Strömungsausmaße des Fließmediums von der Einlaßöffnung 10 zum Wärmetauscher festzustellen, und ist mit dem PIC verbunden, um an ihn ein elektronisches Rückkopplungssignal abzugeben, welches für das Strömungsausmaß repräsentativ ist. Es sollte beachtet werden, daß, obwohl der Detektor 22 die Wärmetauscherströmung mißt, diese entweder an der Einspeis- oder Rückflußöffnung des Fließmediums gemessen werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein alternativer Strömungsdetektor 24 in der Nähe der Öffnung 13 vorgesehen werden, um alternativ das Strömungsausmaß des Fließmediums festzustellen, das aus dem Wärmetauscher in das Ventil 4 eintritt. Jeder Strömungsdetektor könnte die Strömung durch den Wärmetauscher messen. PIC 20 ist elektronisch mit dem Motor 21 verbunden und zur Steuerung des Fließmediums-Strömungsausmaßes, wie es von jedem der Detektoren 22 oder 24 festgestellt wird, programmiert, um den Ventilstöpsel 12 passend einzustellen, wie es, falls erforderlich, vom Thermostat 18 oder einen programmierten maximalen Strom aufgrund von Wassersystem-Ausbalancierungserfordernissen oder BTU verlangt wird.
Ebenfalls ist ein Paar von Temperatursensoren 26 und 28 vorgesehen, wobei der Sensor 26 im Gehäuse des Ventils 4 in der Nähe der Auslaßöffnung 10 positioniert und der Sensor 28 in der Nähe des den Wärmetauscher verlassenden Fließmediums angeordnet ist, d. h. nahe der Öffnung 13. Die Sensoren sind elektronisch mit dem PIC verbunden, um elektronische Signale zu vermitteln, die für die Temperatur des Wassers an der jeweiligen Sensorlokalisierung repräsentativ sind. Alternativ könnte ein gemeinsamer Gebäude-Temperatur-Sensor 26A (in 1 gestrichelt), der das gemeinsame Speisewasser mißt, alle die Temperatursensoren 26 für das Einspeisfließmedium ersetzen und somit Rohrleitungslasten in die BTU-Kalkulationen einschließen.
Der PIC ist im dargestellten Ausführungsbeispiel programmiert, um das Ventil in Abhängigkeit von Signalen zu steuern, die vom Thermostat 18, dem Fließmediumdetektor 22 und den Temperatursensoren 26 oder 26A und 28 erhalten werden, um so einen gesteuerten Strom an Wasser oder BTU's durch den Ventilstöpsel 12 zu vermitteln, was thermostatdiktierte Temperaturverhältnisse im Raum sowie strömungsventildiktierte Maxima zum Wasserausgleich begünstigt.
Ebenso ist der PIC programmiert, um den BTU-Gewinn oder -Verlust im Fließmedium zwischen den Sensoren und dem Steuerventil zu berechnen, um einen gewünschten Fließmediumstrom zu vermitteln, der von diesen Berechnungen abhängig ist, während eine Überwachung erfolgt und/oder BTU's zum Zwecke der Abrechnung und Effzienz aufsummiert werden.
Man wird mit Bezug auf die Fließmedium-Steuermittel der 1 verstehen, daß es unter gewissen Umständen notwendig sein wird, den BTU-Gewinn oder -Verlust im Wasser zu berechnen, und daß unter diesen Umständen die Detektoren 26 oder 26A und 28 nicht notwendig sind.
Das Steuergerät 2 von 1 treibt durch Vermittlung eines Rückkopplungssignals an den PIC 20, das dem Strömungsdetektor 22 (oder alternativ dem Strömungsdetektor 24 aus BTU's wie berechnet) entnommen ist, und nicht statt dessen einer Rückkopplung aus einer mechanischen Verbindung, die aus der Stößelposition des Ventilstöpsels 12 genommen ist, den Ventilstöpsel 12 zu einem tatsächlich angelieferten Strömungsausmaß anstelle einer Modulierung des Ventils in eine vorgegebene Stößelposition (Stößel aufwärts treiben, Stößel abwärts treiben, halber Weg u. s. w.). Somit wird das Strömungsausmaß aufrecht erhalten ohne Rücksicht auf Veränderungen der Systemdifferenzialdrücke.
Wenn die Steuervorrichtung darauf eingestellt ist, BTU-Gewinn oder -Verlust im Wasser unter Benutzung der Detektoren 26 oder 26A und 28 zu berechnen, kann ein tatsächliches BTU-Ausmaß (z. B. eine Anlieferung von 150 BTU's pro Minute) gesteuert werden, mit dem Ergebnis wachsender Genauigkeit. Diese Genauigkeit wird aufrecht erhalten ohne Rücksicht auf Veränderungen in den Differenzialdrücken des Fließmedium-Systems und trägt jeder Temperaturänderung sowohl im Einspeis- als auch Rückflußmedium unter Benutzung des Sensors 26 Rechnung, Wärmetauscher-BTU's werden berechnet. Bei Verwendung des Sensors 26A (gewöhnlicher Gebäudesensor) ist die Rohrleitungslast in die Berechnung mit eingeschlossen.
In 2 ist ein entfernt gelegener Computer 29 dargestellt (beispielsweise im Steuerraum eines Gebäudesystems angeordnet), der direkt einen Motor 21 steuert, welcher einen Ventilstöpsel 12 eines herkömmlichen Kugelventils 30 in einem wassergestützten Heizsystem positioniert. (Das Ventil 30 kann alternativ ein Flügelventil, ein Schaufelventil, ein Schieberventil, ein Kugelventil oder eine Art eines herkömmlichen Ventils sein, das den Anforderungen genügt). Das Ventil 30 ist in der Fließmedium-Einspeisleitung zu dem zu beheizenden Raum angeordnet und weist einen zugeordneten Strömungsdetektor 22 auf, der, wie dargestellt, zwischen der Einlaßöffnung 8 und der Auslaßöffnung 10 angeordnet ist. Der Strömungsmesser 22 überträgt ein elektronisches Signal, Rückkopplung, (in BTU/min oder GPM, etc.) zum Computer 29 (oder zu einem zentralen Gebäude-Automations-Computer 29A), das proportional zum Wasserstrom durch die Einspeisleitung ist, und der Computer wird programmiert, um die Positionierung des Ventilstöpsels 12 zu steuern und somit das Strömungsausmaß durch dieses Ventil in Übereinstimmung mit Temperaturverhältnissen in dem aufzuheizenden Raum, wie durch den Thermostat 18 und/oder die Erfordernisse einer maximalen Ausgleichströmung angezeigt. In Zwei-Rohr-Anordnungen wie die vorliegende, muß, wenn eine BTU-Messung erforderlich ist, ein separat montierter Temperatursensor in der Rückleitung vom Wärmetauscher installiert werden, so daß er mit dem Temperatursensor 26 oder 26A und dem Strömungssensor 22 zusammen arbeitet, um BTU's zu berechnen.
Die Fließmedium-Steuer-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in ähnlicher Weise an ein variables Luftvolumensystem angepaßt werden, wie in 3 gezeigt. PIC 20 ist mit dem Motor 21 verbunden und steuert dessen Betrieb in Abhängigkeit von Signalen, die erhalten werden vom Temperatur- und/oder Gesamtwärme-Detektor 26 oder 26A, die angeordnet sind, um die Temperatur (oder Gesamtwärme bei Kühlungsanwendungen) der eintretenden Luft oder Einspeisluft aus einer Anlage und vom Temperatur- oder Gesamtwärmedetektor 28, der in geeigneter Weise im Raum oder in der Rückkehrleitung angeordnet ist, um die Temperatur oder die Gesamtluftwärme im aufzuheizenden oder zu kühlenden Raum (wahrscheinlich innerhalb des Raumsensor/Thermostats 18) und vom Luftströmungsdetektor 22, der zwischen der Einlaßöffnung 8 und der Öffnung 10, wie dargestellt, angeordnet ist. Der Getriebemotor 21 bewegt eine Stange 40, welche die Positionierung einer Ablenkplatte, wie dargestellt, positioniert. Luft, welche den Auslaß 10 verläßt, wird einem Diffusor oder Grill in dem zu heizenden oder zu kühlenden Raum zugeleitet.
Im allgemeinen ermöglichen die Strömungsteuermittel der vorliegenden Erfindung es dem Ventil, sowohl als ein Steuerventil von einem Thermostat als auch als ein Maximalströmungssteuerungsgerät zu wirken, um einen Ausgleich des Luft- oder Wasser-Heiz-/Kühlsystems zu ermöglichen. Der Strömungsdetektor vermittelt eine Anzeige der Fließmedium-Strömung durch das Ventil. Für eine Anwendung im System-Wasser- oder -Luftausgleich sind die Vorrichtungen der 1, 2 und 3 auf die maximale Strömung programmiert. Die Steuerventile werden dann sehr stark verbesserte Ausgleichventile, da sie als druckunabhängige Vorrichtungen die Strömung genau im Gegensatz zur Theorie auf das wirkliche BTU- oder CFM-Strömungsausmaß, wie vom Strömungsdetektor gemessen, begrenzen, wodurch eine verbesserte Modulationssteuerung ermöglicht ist. Während ferner die Verdopplung von Steuerventil und Ausgleichsventil und BTU-Meßgerät in herkömmlichen Systemen gelegentliches Geräusch durch Oberschwingungen veranlassen kann, reduziert die verbesserte Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Kapitalkosten, Energie- und laufende Kosten, Probleme und Differenzialdruckverlust durch Vermeidung dieser Verdoppelung, spart an Arbeit, die beim Wasserausbalancieren involviert ist (da diese nun vom Tastenfeld aus oder dem vorne gelegenen Ende eines computergestützten Gebäude-Automations-Systems ausgeführt werden kann) und resultiert in Energieeinsparungen durch Reduktion und größere Effizienz des Fließmedium-Pumpvorgangs, wobei es nun lediglich eine Verengung gibt. Zusätzliche Probleme werden gelöst, beispielsweise die Voraussagung einer nullprozentigen Offen- oder hundertprozentigen Schließposition. Frühere automatische Gebäudesysteme (BAS) konnten diese Position nicht genau zeigen und erforderten eine ständige Einjustierung, da, während die CRT-Anzeige ein geschlossenes Ventil anzeigen könnte, Wärmegewinn oder Wärmeverlust durch den Wärmeaustauscher mit großer Genauigkeit angezeigt würde. Die vorliegende Erfindung schlug vor, von der Stößelposition abzusehen und den tatsächlichen Fluß in Gallons pro Minute oder Liter pro Sekunde oder BTU's oder Kalorien pro Stunde etc. anzuzeigen.
Aus den in 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen läßt sich leicht verstehen, daß die vorliegende Erfindung drei Instrumente in einem vermittelt, welches nicht nur als ein Steuerventil sondern auch als ein BTU-Meßgerät und ein Systemausgleichventil funktionieren kann. Diese eine Komponente:

– steuert die Temperatur (und/oder Feuchtigkeit, etc.)
– moduliert mit außerordentlicher Präzision, wobei sie einen stabilen Ausgang selbst bei fluktuierenden Einlaßtemperaturen oder variablen Differenzialdrücken steuert (d. h. sie ist druckabhängig)
– überträgt Einspeis- und Rückflußtemperaturen
– überträgt das Ausmaß der Fließmedium-Strömung
– berechnet und übermittelt BTU's
– summiert BTU's über eine vorgegebene Zeit auf
– kostet wenig mehr als ein modulierendes Standardsteuerventil

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vermittelt ein Steuerventil mit viel größerer Genauigkeit, weil es einen genauen Strömungsmesser als Rückkopplung benutzt und nicht einen Stößelhöhen-Sensor wie in bisher bekannten Vorrichtungen. Sie kann daher nicht nur ein Strömungsausmaß übertragen, sondern kann ein genaues, druckunabhängiges Strömungsausmaß aufrechterhalten und liefern.
Durch die Hinzufügung von Temperatursensoren und einer Logik kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung als ihre Rückkopplung die tatsächlichen BTU's an Wärme haben anstatt einer Stößelhöhe. Sie kann daher nicht nur das BTU-Strömungsausmaß übertragen sondern kann mit außerordentlicher Präzision ein genaues, druckunabhängiges Strömungsausmaß an BTU's aufrechterhalten und liefern.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist darauf beschränkt, eine maximale Strömung über den gesteuerten Wärmetauscher hinweg zu ergeben, um eine Systemausbalancierung mit größerer Genauigkeit zu vermitteln, wobei somit Fließmedium-Pumpenergie eingespart wird, während in allen Punkten in einem hydronischen System eine adäquate Verteilung gewährleistet ist.
Im Ausführungsbeispiel von 3, bei dem ein variables Luftvolumen zum Aufheizen und Klimatisieren verwendet wird, kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise ansprechen, unter Benutzung eines Raum- und eines Abgabe-Gesamtwärmesensors (fühlbare und latente Wärme) und eines Luftströmungssensors, um alle oben beschriebenen Eigenschaften zu vermitteln. Zusätzlich kann sie bei Anwendung mit Gesamtwärmesensoren anstatt von Temperatursensoren bei Kühlanwendung sowohl einen fühlbaren als auch latenten Wärmegewinn oder -verlust berechnen.
Somit ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung leicht zu verstehen, daß eine thermostatische Ventilsteuerung, eine Systemausbalancie rung und BTU-Meßfunktion in einer einzigen Einheit vermittelt werden können. Diese Steuerung gestattet es, einer Gebäudeverwaltungsgesellschaft, die Temperatur wie normal zu steuern, um den Fließmediumstrom zu begrenzen, um so das Heiz-/Kühlsystem auszubalancieren, und sowohl die Strömung wie auch die BTU's zum Zwecke einer Abrechnung und/oder Buchführung genau zu überwachen, alles von dem gleichen Computer und registriert an dem gleichen Monitor oder Drucker. Auf diese Weise kann eine Gesellschaft (beispielsweise die Gebäudeverwaltungsgesellschaft) alle drei Funktionen mit geringen zusätzlichen Kosten zu ihren Temperatursteuerungsinstallationskosten ausführen, und zwar in einer weit effizienteren, genauen und einfachen Weise. Die Ventilsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann einzeln eingesetzt werden, beispielsweise in einer Einzelwohnung oder in mehrfachen Anwendungen, um so die Leistung einer HVAC-Ausrüstung zu verbessern, beispielsweise von Boilern, HVAC-Energieverteilungssystemeinrichtungen, Prozeßsteuersystemen und dergleichen.
Der Einsatz eines Strömungsdetektors bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Ausführung einer aktuellen Strömungsmessung ohne Rücksicht auf Differenzialdruck auf die Fließmedium-Einspeisleitungen. Anders als bei bestehenden Systemen, wo der steuernde Thermostat ein Ventil in einem vorbestimmten Grad öffnet oder schließt, wobei Differenzialdrücke, der Fließmediumeinlaß oder die Lufttemperatur, übertragene BTU's und dergleichen nicht in Betracht gezogen werden, können die Fließmedium-Steuermittel der vorliegenden Erfindung sowohl eine Strömung und einen BTU-Verlust oder -Gewinn (Heizen oder Kühlen) messen. Die Software im PIC ermöglicht die Positionierung des Ventils, um den genauen erforderlichen BTU- oder Kalorien-Gewinn oder -Verlust zurechtzumachen. Ebenso und anders als bestehende Systeme, weiche zusätzliche Ausbalancierventile erfordern, schließen die Fließmedium-Steuermittel der vorliegenden Erfindung die Ausbalancierfunktion über den PIC ein, der in Übereinstimmung mit Signalen auf das Ventil einwirkt, die vom Strömungsdetektor empfangen werden, wodurch die Verdopplung von Verengungen durch die verdoppelte Ventile beseitigt wird, während eine druckunabhängige Steuerung vermittelt wird.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung könnte auch zur Energieeinsparung beitragen, beispielsweise durch Verwendung der verschiedenen Temperaturen zwischen der Fließmedium-Einspeisung und -Rückführung zum und vom Wärmetauscher, und durch Stillegung des gepumpten Fließmediums, wodurch gewährleistet ist, daß, bis dieses Fließmedium adäquate Wärme verloren hat, der Fließmediumstrom zum Wärmetauscher beschränkt werden könnte, mit einer konsequenten Einsparung von gepumptem Fließmedium und einer Reduktion an Pferdestärke, die an den Pumpen benötigt wird. Die genaue BTU-Überwachung weist auch auf abnormale Energiekosten hin und befördert das Energiebewußtsein. In diesem Falle könnten die Rückkopplungssignale zum PIC aus drei Quellen stammen, dem Strömungs- und/oder dem Temperaturdifferenzial und/oder den BTU's, alles gemessen durch den programmierbaren Onboard-Mikroprozessor am PIC oder einer Schaltung mit geeigneten Algorithmen oder gemessen und/oder berechnet durch eine zentrale Gebäudeautomation oder ein Energieverwaltungssystem.
Die Fließmedium-Steuer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Steuerventilen (welche gewöhnlich eine Ventilstößelposition als 0 bis 100% offen übertragen) einschließlich die Eliminierung der Notwendigkeit für kostspielige parabolische Stöpsel, das Gewähren bedeutsamer Information, welche eine Strömung durch das Ventil angibt, anstelle einer Stößelposition, die Vermittlung einer Rückkopplung in Gallons pro Minute oder Liter pro Sekunde oder BTU's pro Stunde, etc., die Fähigkeit BTU's zum Zwecke einer Energieverwaltung und/oder -abrechnung bei Benutzung mit den Einlaß- und Auslaßtemperatursensoren zu überwachen, die Einsparung eines Pumpens von Fließmedium durch Gewährleistung einer minimalen Differenzialtemperatur an den Wärmetauschern, die Vermittlung von speziell programmierten maximalen Strömungsausmaßen, Vermittlung einer besseren Systemwasserausbalancierung und Vermittlung einer genaueren Modulationssteuerung als zuvor möglich.
Somit ist es offensichtlich, daß in Übereinstimmung mit der Erfindung eine modulierende Fließmedium-Steuer-Vorrichtung vorgesehen wird, welche die oben dargelegte Gegenstände, Ziele und Vorteile voll erfüllt. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit besonderen Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wurde, ist es doch evident, daß zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Variationen den Fachmann im Lichte der vorangehenden Beschreibung offenbar werden. So sollte realisiert werden, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist für VAV ebenso wie als duale Leitungsluftverteilungssysteme, wo Gebläse/Windungs-Einheiten, Erhitzer, Kühlschlangen, Wärmetauscher, Einheitserhitzer, Radiatoren oder gerippte Rohrerhitzer, Terminalwiederaufheizungssysteme und die meisten Wärmetauschersysteme, wo Energie verbraucht wird. Dementsprechend ist es beabsichtigt, alle solche Alternativen, Modifikationen und Variationen als in den Erfindungsbereich fallend, zu umfassen.

Claims

Eine modulierende Fließmedium-Steuer-Vorrichtung für ein auf einem Fließmedium basierendes Heiz- und Kühlsystem für eine Meßumgebung, wobei die Vorrichtung umfaßt: einen Ventilkörper (4), wenigstens eine Fließmediumeinlaßöffnung (8) und wenigstens eine Fließmediumauslaßöffnung (10) und ein Ventil (12) mit Betätiger (21), das zwischen den Öffnungen (8, 10) gelegen ist, wobei das Ventil (12) auf eine Eingabe aus einem Sensor (18) reagiert, um die Fließmediumströmung durch das Ventil (12) in Abhängigkeit von Bedingungen in der Meßumgebung zu beschränken oder zu ermöglichen, wobei die Steuervorrichtung ferner umfaßt: a) ein Ventilsteuergerät (20) und diesem zugeordnete Mittel, um das Ventil (12) einzustellen und hierdurch die Fließmediumströmung durch das Ventil (12) zu regulieren, und b) dem Ventil (12) zugeordnete Strömungsfeststellmittel (22), um die Fließmediumströmung an einer Stelle im System zu messen und um ein für die Durchflußmenge repräsentatives Rückkopplungssignal an das Ventilsteuergerät (20) zu vermitteln, wobei der Sensor befähigt ist, Signale an das Ventilsteuergerät (20) zu übermitteln, und das Ventilsteuergerät (20) zur Positionierung des Ventils (12) angeordnet ist, um die Fließmediumströmung im System in Abhängigkeit von den Signalen zu steuern, wobei das Ventilsteuergerät (20) auch auf das Rückkopplungssignal aus den Strömungsfeststellmitteln (22) reagiert, um das Ventil (12) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsfeststellmittel (22) im Ventilkörper (4) angeordnet sind und das Ventilsteuergerät (20) mit einer maximalen Fließmediumdurchflußmenge durch das Ventil (12) programmiert ist und auf das Rückkopplungssignal aus den Strömungsfeststellmitteln (22) reagiert, um ein Ausmaß der Strömung des Fließmediums durch das System zur Fließmediumausbalancierung durch Begrenzung der Einstellung des Ventils (12) durch die programmierte maximale Fließmediumdurchflußmenge zu begrenzen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Ventilsteuergerät (20) ein programmierbares integriertes Steuergerät (PIC) ist, das zur Positionssteuerung des Ventils (12) in Abhängigkeit von Signalen programmiert ist, die aus dem Sensor und den Strömungsfeststellmitteln (22) empfangen werden, um das erforderliche Ausmaß der Strömung des Fließmediums durch das System aufrecht zu erhalten.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welcher die Strömungsfeststellmittel (22) einen Strömungsdetektor umfassen.
Eine Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, in welcher der Sensor ein Thermostat zum Abfühlen der Temperatur in der Meßumgebung ist.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Paar von Temperatursensoren (26, 28), von denen ein erster (26) der Sensoren posi tioniert ist, um die Temperatur des durch die Vorrichtung zu einem Wärmetauscher strömenden Fließmediums zu messen, und ein zweiter (28) der Sensoren positioniert ist, um die Temperatur des vom Wärmetauscher zurückströmenden Fließmediums zu messen, wobei jeder Sensor (26, 28) das Ventilsteuergerät (20) mit einem Signal versieht, das für die Temperatur des Fließmediums am jeweiligen Standort der Sensoren (26, 28) repräsentativ ist, und die Strömungsfeststellmittel (22) ein Signal vermitteln, das für das Strömungsausmaß des Fließmediums repräsentativ ist, das Ventilsteuergerät (20) angeordnet ist, um den BTU-Gewinn oder -Verlust im Fließmedium zwischen den Sensoren (26, 28) zu berechnen und das Ventil (12) zu steuern, um einen gewünschten Fluß an BTU's in Abhängigkeit von diesen Berechnungen zu vermitteln.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend: ein Paar von Temperatursensoren (26, 28), von denen ein erster (26) der Sensoren positioniert ist, um die Temperatur des durch die Vorrichtung zu einem Wärmetauscher strömenden Fließmediums zu messen, und ein zweiter (28) der Sensoren positioniert ist, um die Temperatur des vom Wärmetauscher zurückströmenden Fließmediums zu messen, wobei jeder Sensor (26, 28) das PIC mit einem elektronischen Signal versieht, das für die Temperatur des Fließmediums am jeweiligen Standort der Sensoren (26, 28) repräsentativ ist, und die Strömungsfeststellmittel (22) ein Signal vermitteln, das für das Strömungsausmaß des Fließmediums repräsentativ ist, das PIC programmiert ist, um den BTU-Gewinn oder -Verlust im Fließmedium zwischen den Sensoren (26, 28) zu berechnen und das Ventil (12) zu steuern, um eine gewünschte Fließmediumströmung in Abhängigkeit von diesen Berechnungen zu vermitteln.
Eine Vorrichtung nach einem voranstehenden Anspruch, umfassend: ein Dreiwege-Vieröffnungs-Ventil, wobei Fließmedium die Eingangsöffnung (8) passiert, bevor es in den Wärmetauscher eintritt, und Fließmedium die Auslaßöffnung (10) passiert, bevor es den Wärmetauscher durchströmt.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Strömungsfeststellmittel (22) in der Nähe der Eingangsöffnung (8) positioniert sind, um das PIC mit einem elektronischen Signal zu versehen, das für das Ausmaß der Fließmediumströmung am Standort des Detektors (22) repräsentativ ist.
Eine Vorrichtung nach einem voranstehenden Anspruch, bei welcher das Fließmedium aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Luft oder Flüssigkeit besteht.
Eine Vorrichtung nach einem voranstehenden Anspruch, in Kombination mit einem Sensor und Steuergerät, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus einem Thermostat und einem Humidistat besteht.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der erste der Sensoren positioniert ist, um die Temperatur des Fließmediums zu messen, das von der Quelle der Fließmediumeinspeisung herkommt.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher einer der Sensoren positioniert ist, um die Temperatur des Fließmediums zu messen, das von der Quelle der Fließmediumeinspeisung herkommt.
Eine Strömungssteuervorrichtung nach einem voranstehenden Anspruch, bei welcher das Ventilsteuergerät (20) ein Computermittel ist, das entfernt vom Ventil (12) und dem Ventilkörper positioniert ist, wobei das Computermittel programmiert ist, um die Einstellung des Ventils (12) in Abhängigkeit von Signalen zu steuern, die vom Thermostat und den Strömungsfeststellmitteln (22) empfangen werden, um die erforderliche Durchflußmenge des Fließmediums durch das System aufrecht zuerhalten und um den BTU-Gewinn oder -Verlust im Fließmedium zwischen den Sensoren (26, 28) und dem Steuerventil (12) zu berechnen, um einen gewünschten Fluß an BTU's in Abhängigkeit von diesen Berechnungen zu vermitteln, während BTU's zum Zwecke einer Abrechnung und eines Nutzeffektes überwacht und aufsummiert werden.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 umfassend: eine zweite Fließmediumeinlaßöffnung (13) im Körper (4), um einen Fließmediumstrom, der von der Fließmediumauslaßöffnung (10) ausgeht, aufzunehmen, wobei dieser Strom einen Wärmetauscher zwischen der Fließmediumauslaßöffnung (10) und der zweiten Fließmediumeinlaßöffnung (13) durchlaufen hat, und eine zweite Fließmediumauslaßöffnung (14) im Körper für die Fließmediumströmung aus der zweiten Fließmediumeinlaßöffnung (13), wobei das Ventil (12) auf eine Eingabe aus einem Sensor reagiert, um es dem Fließmedium zu ermöglichen, von der Fließmediumeinlaßöffnung (8) durch die Fließmediumauslaßöffnung und über den Wärmetauscher und die zweite Fließmediumeinlaßöffnung (13) zurück in den Ventilkörper (4) zu fließen, bevor es durch die zweite Fließmediumauslaßöffnung (14) gelangt, und einen in geschlossener Stellung blockierenden Fließmediumdurchlaß für Fließmedium aus der zweiten Fließmediumeinlaßöffnung (13) zur Fließmediumauslaßöffnung (14), wobei der Durchflußmengendetektor (22, 24) an der Fließmediumauslaßöffnung (10) oder an der zweiten Fließmediumeinlaßöffnung (13) angeordnet ist, um darinnen eine Durchflußmenge des Fließmediums festzustellen.