JP2011524970A - 暖房、換気及び空調システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】暖房、換気及び空調システムは、通過する気流の流量を調整する可変通気口と、前記可変通気口を制御するアクチュエータと、前記アクチュエータにエネルギを供給し、前記アクチュエータの作動に必要なエネルギを周囲の環境から得る環境エネルギ収集機構とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムに関する。

代表的な住宅の場合、主たる居住区域に配設されるのが一般的な唯一の自動調温装置を有しており、この自動調温装置により住宅全体について温度の調整が行われるようになっている。太陽に対する向き、階上と階下、キッチンでの料理、断熱性の違い、窓の数などといった様々な理由から、住宅内の至る所の温度が、自動調温装置における温度から著しく（華氏１０度）異なっていることがある。このため、住宅のあちこちで不快な温度となることが多々ある。

居住者は、通気口を手動で調整することにより、特定の部屋への気流を変更することができるが、以下の理由により、これでは快適性をわずかに向上させることしかできない。
・通気口は、家具の背後に位置していたり、天井に取り付けられていたりすることが多く、手の届かないところにあるので、変更することができない。
・暖房や空調は自動調温装置が指令したときしか作動せず、空気の流れがなければ、別の部屋で通気口を開閉しても変化が生じることはない。
・季節的な変化によって、例えば冬期には上昇しようとする熱を下方の階に向けて移動させ、夏期には下降しようとする冷気を上方の階に向けて移動させるような大幅な調整が必要となる。また、その間の移行期間においては、１日のうちにＨＶＡＣシステムを暖房から冷房に切り換える必要があり、何度も通気口を調整しなければならなくなる。
・住宅では、暖房が必要な部屋と、冷房が必要な部屋とがあるような場合もあり得る。従来のＨＶＡＣシステムでは、このようなことを実現することはできない。
・住宅の多くの部分に人がいない場合、これらの部屋を空調するためにエネルギが浪費されることになる。

ＨＶＡＣシステムの旧式の自動調温装置は、上限温度と下限温度との間の固定温度に手動で設定が行われる。新式のプログラム可能な自動調温装置は、時刻や、平日用の設定と週末用の設定とのいずれかなどに基づき、様々な設定が可能となっている。但し、このような自動調温装置も、依然として部屋毎の調整が不可能である。

商用オフィス空間では、可変風量通気口（ＶＡＶ）を用いて空調を行うのが一般的である。最も簡単なＶＡＶシステムには、華氏５５°程度の温度の冷房モードの空気を配送する給気ダクトが組み込まれている。供給する空気の温度が一定であることから、対象となる温度調整ゾーンにおける熱取得または熱損失の増減に合わせて空気流量を調整する必要がある。複数の部屋の空調を行う必要がある場合、各部屋毎にＶＡＶを調整して気流を調節しなければならない。多くのＶＡＶは、例えばノブをひねって通気口を開閉するなどといった手動操作に依存したものとなっている。但し、これらの通気口は天井にあるのが一般的であり、容易に手が届くようにはなっていない。

自動化されたＶＡＶは、自動調温装置或いはビル自動化システムからの入力に基づき、開口を調整するモータを有している。このようなシステムは、モータと、いつどれだけ動かすかを指示するためのデータとが必要となり、電力供給及びデータ信号のための配線が必要となる。このような自動化されたＶＡＶを設置するために要するコスト及び時間は過大なものとなる可能性がある。

本発明が提供する暖房、換気及び空調システムは、通過する気流を調整する可変通気口と、前記可変通気口を制御するアクチュエータと、前記アクチュエータにエネルギを供給し、前記アクチュエータの作動に必要なエネルギを周囲の環境から得る環境エネルギ収集機構とを備えることを特徴とする。

アクチュエータは、気流の運動エネルギ、温度差、或いは環境光エネルギといった環境エネルギを電気エネルギに変換する１つ以上のエネルギ収集機構により電力を自己供給するので、アクチュエータに電力を供給するための配線が不要となる。

本システムは、蓄電器、充電式蓄電池、スプリングのような機械的蓄積手段などといったエネルギ蓄積ユニットを１つ以上有するようにしてもよく、これにより、周囲の環境から収集したエネルギを、アクチュエータの駆動が可能な程度に凝集した状態に蓄積することが可能となる。

１つ以上のセンサ、並びに他のコントロールユニットまたは中央コントロールユニットと通信する無線通信システムを設けることにより、データ通信に必要な配線を不要にすることもできる。これにより、通気口及びアクチュエータを、新たなダクトに容易に設置したり、既存の通気カートリッジの置き換えとして設置したりすることが可能となる。

また、本発明は、上述したシステムの運転方法を提供する。この方法により、少なくともアクチュエータをスリープモードとすることで、エネルギ消費を低減することが可能となる。また、１つのゾーンから別のゾーンに供給空気を再分配することにより、システムの効率を改善することが可能となる。

エネルギ収集機構の一実施形態を示す図である。 エネルギ収集機構の別の実施形態を示す図である。 アクチュエータの一実施形態を示す図である。 通信手順の一実施形態を示す図である。 エネルギを収集して供給する回路の一実施形態を示す図である。 エネルギを収集して供給する回路の別の実施形態を示す図である。 無線による間欠的なデータ交換の一実施形態を示す図である。

以下、好ましい実施形態を用い、図面を参照して更に詳細に本発明を説明する。

以下は、周囲の環境からエネルギを収集するエネルギ収集機構の実施形態である。いくつかの種類の異なるエネルギ収集機構を組み合わせて用いることが可能である。

図１は、気流が近くを通過する際に回転するブレードを備えたエネルギ収集機構を示している。ブレードに装着されたマグネットが、外周部に装着されたコイルのそばを通過して回転するようになっている。マグネットがコイルのそばを通過すると、コイルの磁束が変化し、コイルに電流が発生する。

図２は、回転するプロペラの軸に直接的に連結された交流または直流発電機を備えるエネルギ収集機構を示している。整流子及びブラシを必要とせず、従って耐久性があって低騒音であることから、交流発電機を用いるのが好ましい。これらの図のいずれの場合においても、電圧が整流され、蓄電器や充電式蓄電池といったエネルギ蓄積装置の充電に利用されるようになっている。

別の構成においては、プロペラの軸がスプリングを巻くことにより機械的な位置エネルギを蓄える。このスプリングは通気口を開閉するためのエネルギ源として用いられる。

気流の運動エネルギのほかに、別の形態のエネルギを以下のようにして周囲の環境から収集することが可能である。

例えば、熱電式発電装置では、気流が流れるダクト内にペルティエ接合体の一方のプレートを配設して周囲の室温より暖かいまたは冷たい空気に晒し、他方のプレートをダクトの外に配設して周囲の室温中に晒すようにして、このペルティエ接合体を設置することにより、温度差からエネルギが収集される。約３０Ｋの温度差により、アクチュエータ、センサ、コントロールユニット及び無線通信システムを作動させるのに十分なエネルギが発生する。

光エネルギ収集機構は、屋内光や太陽光からエネルギを収集し、これを電気エネルギに変換する。太陽電池を通気口の外側に装着し、光エネルギを電気エネルギに変換してシステムに電力を供給するようにしてもよい。

以下は、空気流量の調整に使用可能なアクチュエータの実施形態である。環境エネルギ収集機構によってアクチュエータへの電力供給を行うことができれば、アクチュエータは自ら電力を供給することが可能となり、アクチュエータの位置に関する情報を提供して通気口がどの程度開口しているかを示すようなセンサを設けることができる。

アクチュエータの実施形態には、調整可能なダンパと、ルーバ付きの通気口カートリッジとが含まれる。このダンパまたはルーバは、ギヤボックス付きの直流モータによって、或いはエネルギ蓄積用スプリングに直接的に連結されたギヤボックスによって駆動することができる。動力源としてスプリングを使用する場合、一方向のみの回転で通気口を開閉することができるようにダンパまたはルーバが構成されているのが好ましい。

図３は、アクチュエータの別の実施形態を示している。気流は、Ｓ字状ブレードに対して一定の方向にトルクを発生させる。ブレードがどのような回転角度においても拘束されなければ、ブレードは一方向に回転し続ける。この場合、ブレードを所望の位置に駆動するためのモータは必要ない。ブレードを所望の角度に停止させて気流を調整するには、例えばラッチソレノイドを用いるようなブレーキ機構のみが必要となる。角度の検出には、適度に低分解能のエンコーダ或いはその他の装置を用いることが可能である。このような機構は、軸線方向でエネルギを収集するのに用いることも可能である。

空気の流量を調整する代わりに、このアクチュエータまたは更なるアクチュエータが、気流の生成に使用するモータの速度調整、或いは空気の冷却または加熱の度合いを設定するために用いるバルブの調整を行うようにしてもよい。また、アクチュエータは、気流の方向を調整するのに用いることも可能である。重要なのは、ＨＶＡＣシステムのあらゆる部材の調整にアクチュエータを用いることが可能なことである。少なくとも１つのセンサからの状態情報を用いることにより、このようなシステムの閉ループ制御を実現するようにしてもよい。

以下は、上記ＨＶＡＣシステムに用いることが可能な制御体系の実施形態である。
温度調整ゾーンの分散型制御においては、無線温度センサが様々な温度調整ゾーンまたは部屋に設置され、温度調整ゾーンまたは部屋にあるＨＶＡＣシステム用アクチュエータと通信を行う。これらセンサ及びアクチュエータは、温度に関して閉じた制御ループを形成する。無線湿度センサを用いて湿度を同様に制御することも可能である。このシステムには存在検知センサを容易に追加することも可能である。

以下は、実行可能な制御手順の一例である。
・アクチュエータは、周期的に起動して自身の存在を示す無線信号を自動調温装置に送信する。
・自動調温装置は、更新された指示をアクチュエータに返信する。
・アクチュエータは、指示を履行しスリープ状態に戻る。

アクチュエータと自動調温装置との間で同期状態を維持するため、同期情報が制御に含まれている必要がある。例えば通気口の開口割合などの指令をコーディネータが直接アクチュエータに送り、アクチュエータが演算に時間を浪費しなくてすむようにして電力を節約できるように、アクチュエータ及びコーディネータのいずれでも制御アルゴリズムを実行可能とすることができる。

温度調整ゾーンまたは部屋の分散型制御についての主な短所は、需要と（冷気または暖気の）供給との間で協調性が不足することにある。また、全体の通気割合が極めて低いにも拘わらず、コンプレッサ、ヒータ、或いはファンが最大能力で運転し続けるような場合においても、ＨＶＡＣシステムに問題を生じさせることになる。

温度調整ゾーンの集中制御または統合制御の場合、個々の温度調整ゾーンまたは部屋にあるアクチュエータは、閉じた制御ループとしてそのゾーンにある自身用の温度センサを用いて機能するだけではなく、中央コントローラからの指令も管理指令または優先指令として受け入れるようになっている。住宅内の装備及びセンサはいずれも基本的に無線ネットワークを構成している。これにより、ＨＶＡＣシステムの別のサブシステムとの間で高いレベルの協調を得ることが可能となり、温度調整ゾーンまたは部屋の分散型制御では取り扱いが困難な、スケジューリングや優先順位割り当てなどといった他の事柄も取り扱えるようになる。

統合制御システムはシステムのエネルギ効率及び快適性を大幅に改善するものであり、以下のような利点がある。

・個々の温度調整ゾーン制御または室内制御は依然として実行可能である。存在検知センサのような他のセンサを個々の調整ゾーンまたは部屋に組み込むことも依然として可能である。
・計画的な温度調整制御が可能である。

・需要と供給との間で協調させることが可能である。通気口から放出される全体の空気流量が低減されるので、コンプレッサ、ヒータ及びファンの出力を低減できる。通気口の全体の開口率は、アクチュエータが通信を確認したときに、コーディネータまたは中央コントローラから収集された全アクチュエータの実際の位置を用いて演算することが可能である。このためには、ガス弁のアクチュエータ、並びにコンプレッサ及びファン用の可変周波数駆動機構（ＶＦＤ）が必要であって、これらアクチュエータ及び可変周波数駆動機構も、ＨＶＡＣシステムの無線ネットワークの一部を構成するように、無線通信装置を装備することが可能である。

・調整ゾーンまたは部屋の優先順位割り当てを適用することが可能である。ＨＶＡＣシステムの能力が限界に達した場合、中央コントローラまたはコーディネータにより、冷気または暖気の供給を割り振ることができるため、その時点で優先順位の高い調整ゾーンまたは部屋を優先的に取り扱うことが可能である。中央コントローラは、優先順位に応じて空調資源を調整ゾーンまたは部屋に割り振ることができるので、優先順位の高いゾーンまたは部屋において設定状態に到達するまでの遅延時間の短縮が期待される。

・外気温度及び平均室温を計測及び演算し、無線センサを用いてメインダクト及び流体移送管の温度を監視することが可能であり、中央コントローラがＨＶＡＣシステムの作動を最適化すると共に装備の損傷を防止する上で、これらの情報を利用することができる。
・グラフィックディスプレイを有した無線ハンドセットを用いて、住宅内の温度分布を監視し、温度制御特性を設定したり変更したりすることが可能である。

集中制御は以下のようにして行うことができる。
・太陽光駆動の自動調温装置を含め、自動調温装置が、建物の特定エリアに関する環境状態の現状と目標について、最新情報を周期的に中央コントローラに供給する。
・中央コントローラは待ち受けモードを維持し、アクチュエータから通知が送られて来るのを待つ。

・アクチュエータは、設定可能なスリープ周期のもとで周期的に起動し、通気口の開口位置、即ち開口状態を計測する。そして、このアクチュエータは、無線により、この開口状態を中央コントローラに通知する。
・中央コントローラは、実際の開口状態と目標開口状態とを比較し、通気口の設定状態の変更を要求する無線メッセージを送信する。
・通気口が新たな設定状態に変更される。必要に応じ、更新された開口状態に関して通気口が確認応答を行うようにすることも可能であり、或いはエネルギ節約のため、スリープモードに戻るようにすることもできる。

以下は、ＨＶＡＣシステムが使用する通信プロトコルの実施形態である。
無線ノードにおけるエネルギ消費を低減するためには、センサへの電力供給形態に応じて、センサとアクチュエータとの間の通信プロトコルを慎重に定める必要がある。ＨＶＡＣアクチュエータを用いたシステムの代表的な構成は、自己給電式温度センサ、自己給電式ＨＶＡＣアクチュエータ、並びに商用電源から電力供給を受ける１以上のコーディネータまたは中央コントローラである。必要に応じ、商用電源から電力供給が可能なコンプレッサ用ＶＦＤ、ファン用ＶＦＤ、及びバーナ燃料弁コントローラがこのシステムに含まれる。

センサ及びアクチュエータがいずれも自己給電を行い、大部分の時間にわたりパワーセーブモードとなって電力を節約するようにしているので、これらが互いに通信可能となるように起動時期を同期させることは困難である。このような場合、商用電源から電力供給を受けるコーディネータは、これら２つの自己給電式装置の仲立ちとして使用される。通信手順の一実施形態を図４に例示する。

センサのデータは周期的にアクチュエータに送信される必要がある。センサは、パワーセーブモードから起動するたびに、温度などの状態情報を検出し、その通信能力の範囲内にあるコーディネータにデータを送信する。コーディネータは、一定期間にわたりデータまたは通信内容をバッファに保持する。アクチュエータは、周期的に起動し、通気口の開口率を示すアクチュエータ位置が含まれた通信を、データペイロードとして、確認を行うコーディネータに送信する。そして、アクチュエータは、このような確認用通信を行った後、所定の期間にわたり待ち受け状態を維持する。アクチュエータからメッセージ確認用の通信を受け取ると、コーディネータはアクチュエータに対して待機中のメッセージがあるか否かを確認する。バッファに保持したメッセージがある場合、当該メッセージは直ちにアクチュエータに転送されなければならない。

使用される無線プロトコルに応じ、以下のように様々な方法でデータバインディングを行うことが可能である。

・送信者のアドレスのみが通信に含まれていて、送り先のアドレスが含まれていない場合がある。このような場合には、アクチュエータとセンサとの間で関連付けを行う必要がある。コーディネータは、メッセージ確認用の通信を受け取るたびに、バッファに保持されている通信を繰り返すだけでよい。メッセージ確認用の通信を受け取ったときに、異なるセンサからの複数の通信がバッファに保持されている場合、どの通信を繰り返せばよいかが判るように、コーディネータもバインディングテーブルを有するのが有利である。これにより、アクチュエータに必要とされる待ち受け時間を短縮し、エネルギ消費を抑制することができる。この場合、ルーティングを行うことはできない。

・別のケースとして、発信元及び送り先の両方のアドレスが通信に含まれている場合がある。この場合、上述したようにセンサとアクチュエータとの間で関連付けを行うことも可能であり、或いはコーディネータにおいて関連付けを行うことが可能である。コーディネータは、上述したように単に通信を繰り返すか、或いはＨＶＡＣシステムが初期設定された際に定められたバインディングテーブルに従い、通信をバッファに保持して送信してもよい。

・通信に送り先のアドレスのみを含めることも可能である。この場合も、上述したように、容易に取り扱いが可能である。

以下は、ＨＶＡＣシステムにエネルギを供給するために用いられる方法及び回路に関する実施形態である。
多くの環境エネルギ収集機構は高インピーダンス電源として作動する。一方、負荷は低インピーダンスを有してエネルギを受け取ることが多い。これが、負荷を駆動するのに十分な状態となるまで収集エネルギを蓄積しなければならない理由である。

エネルギ収集の方法は以下のような手順で行われる。
・熱電変換器が可変通気口の内側と外側との温度差により蓄電器を充電する。
・蓄電器の電圧が所定の閾値に達すると、収集されたエネルギが電圧変換器に供給される状態に直ちに切り替わる。
・無線トランシーバにエネルギが供給されるようになり、実際の温度、或いは存在を示す信号を送信し、送信後の数ｍｓの間は、引き続き受信部への電力供給が行われる。

・商用電源から電力供給を受けるコントロールステーションは、送信された温度を受信し、制御指令を送信する。
・無線トランシーバは、この制御指令を受信し、指令された方向にアクチュエータを駆動する。
・作動が求められない場合、無線トランシーバはスリープモードに移行し、余剰エネルギは更なる電力蓄積に用いられる。

・エネルギ蓄積用の蓄電器の電圧が降圧レギュレータによる調整電圧まで低下すると、直ちに無線トランシーバ及びモータへの電力供給が遮断される。
・エネルギ貯蔵用の蓄電器のエネルギが再び十分蓄えられると、無線トランシーバは最後に受け取った指令に従い、依然として実行する必要のある処理の数を確認する。
・実行すべき処理が残っている場合、コントローラはアクチュエータに対する処理を開始する。

・指令された全ての処理が完了している場合、無線トランシーバは処理完了信号を送信し、次の指令の受信に備え、受信部を再び作動状態とする。
・何も実行する必要がない間は、迅速な制御のためにエネルギを収集することが可能となる。

ＨＶＡＣシステムは、無線による制御を用いずに、分散して作動させることも可能である。この場合、入力制御として、ポテンショメータまたはスイッチにより目標温度を設定する。そして、独自の調整により温度が一定に保持される。このとき、無線トランシーバ用のエネルギはモータに供給することが可能となる。このような制御は以下のようにして行われる。

・熱電変換器が鎧戸式カバーの内側と外側との温度差により蓄電器を充電する。
・マイクロコントローラへの電力供給に十分な充電がなされると、マイクロコントローラは直ちに、例えばポテンショメータの抵抗値或いはデジタルスイッチによって目標温度を読み取る。可能な限り最善の調整方法として、スイッチのみを用いて増減するようにしてもよい。

・次に、マイクロコントローラは、モータを作動させるべきか否か、及びモータの作動方向を決定する。このような決定は、鎧戸カバー外側の実際の温度と実際の調整値との比較結果に応じて行われる。
・「増」や「減」の操作方向を有したスイッチの場合、スイッチが中立位置になく、且つエネルギが十分ある限り、モータがゆっくりと作動する。
・数個の操作位置を有したスイッチの場合、或いはポテンショメータの場合、目標温度に達しない限り、モータがゆっくりと作動する。

・マイクロコントローラは、次に処理を行うべきか否か、及びどちらの方向に向けて処理を行うべきかについての判定を行う。
・目標温度に達すると、必要に応じて制御方向に向けての処理を行うためのエネルギを得ることにより、マイクロコントローラが温度を一定に保持する。
・マイクロコントローラは、目標温度に関する入力を読み取り、これを実際の温度と比較し、調整処理の実行要否を判定する。
・マイクロコントローラは、エネルギ収集のループに入り、入力を読み取って実際の値と比較し、処理を開始するか或いはスリープ状態となる。

図５は、エネルギ収集を行いモータに電力供給を行うための回路の一実施形態を示している。この回路には１００ｋΩのインピーダンスを有した５Ｖの電圧レギュレータが設けられており、この電圧レギュレータは、太陽電池或いは熱電変換器であってもよい。そして、エネルギ収集用蓄電器Ｃ１が充電されるようになっている。収集されたエネルギが、例えば３Ｖの調整可能な閾値に達すると、直ちに出力が行われ、例えば２Ｖの調整可能な閾値に低下すると、出力が停止されるようになっている。再充電の時間間隔は、約１５６秒となっている。低インピーダンスの出力によって、短時間に高エネルギを供給することが可能である。放電時間、及びこれに伴うエネルギ収集用蓄電器の残存電圧は、Ｃ２の大きさに依存する。１００ｍＨ且つ１０Ωのモータは、３．１６Ｖで電力供給が開始され、１５ｍｓの期間にわたり電力供給が行われて、２．１２Ｖで電力供給が終了するようになっている。

アクチュエータは、ブラシ付きの非鉄製電機子を有し、以下のような特性を有した電動モータとすることが可能である。
・直流３Ｖの電源
・３０ｍＡ未満の開回路電流
・８５％を上回る効率
・１０ｍｓ未満の加速時間

或いは、一例として、ファウルハーベル（Faulhaber）社製で、０．１５Ｗの容量を有した直流３Ｖ／１３．５Ωのギヤ付き直流モータを用いるようにしてもよい。このモータは、６:１から３２４:１までの変速比のギヤを適用することが可能である。上述したエネルギ収集供給装置、及びこのようなモータを有したバッテリなしのシステムにより、自己給電式の空調用制御装置を作動させることが可能である。

熱電変換器は、数分で２２００μＦの蓄電器を例えば４．５Ｖまで充電することが可能である。蓄積されるエネルギＷは、Ｗ＝Ｃ・Ｕ^２／２＝２２００μＦ・（４．５Ｖ）^２／２によって２２ｍＷ秒となる。このエネルギは、３Ｖの定電圧に変換することが可能であり、この場合、Ｗ＝Ｃ・Ｕ^２／２＝１１００μＦ・（３Ｖ）^２によって１０ｍＷ秒が失われることになり、３Ｖでほぼ１２ｍＷ秒のエネルギが残存する。これにより、モータには５０ｍｓにわたって１／４Ｗの電力が供給されたことになる。もう１つの可能性として、３Ｖのモータに、例えば残存電圧が２Ｖになるまで４．５Ｖを直接供給することにより蓄電器の放電を行うものがある。この場合、Ｗ＝Ｃ・Ｕ^２／２＝２２００μＦ・（２Ｖ）^２／２によって４．４ｍＷ秒のエネルギのみが使用されずに残留することになる。この残留充電量は、再充電時間を減らすことになるので、損失とはならない。この場合、利用可能なエネルギはほぼ１８ｍＷ秒となる。これは、５０ｍｓの期間にわたって０．３６Ｗの電力を供給することとなる。

使用しうるエネルギは、例えば５０ｍｓの期間でのみ供給可能なので、モータは低質量で迅速に始動できるようにすべきである。このことは、非鉄製電機子を使用しないモータによって実現することも可能である。

突入電流は、過大なエネルギが失われない限り、電流制限器によって抑制することが可能である。

図６は、無線トランシーバに対し、データ送受信のために３Ｖ、３０ｍＡの電力供給を行うようなエネルギ収集供給装置の一実施形態を示している。蓄電器は少なくとも、開始期間の１．５ｍｓと、３つの処理単位の通信を送信するための３×１．２ｍｓと、応答を受信するための６ｍｓとの合計１１ｍｓにわたり、３Ｖ／３０ｍＡのエネルギを供給しなければならない。残存エネルギは、全てアクチュエータへの電力供給に用いることができるようになっている。

可変閾値におけるエネルギ投入はＩＣ１によって規定される。本実施形態では、この閾値が４．６Ｖとなっている。エネルギ投入期間はＣ２により調整可能であり、本実施形態では１３０ｍｓとなっている。高効率降圧コンバータによって一定化される出力電圧は、Ｒ３によってモータ及び無線トランシーバ用に調整することができる。無線トランシーバは１００Ωの抵抗を有しているものと仮定する。

このような条件の下で、２２００μＦの蓄電器が４．５Ｖまで充電され、降圧コンバータにより出力電圧が３Ｖとされて放電が行われる。無線トランシーバ及びアクチュエータの作動間隔は８４秒とすることが可能であり、このとき３Ｖの出力の放電が１３３ｍｓにわたって行われる。１３３ｍｓという放電可能時間は、無線トランシーバの電力供給に必要な１１ｍｓよりもはるかに長い時間となっている。モータは残存する１２０ｍｓの電力供給時間を使用することができるので、アクチュエータの駆動には多くのエネルギが残存していることになる。エネルギ収集用蓄電器の容量を増大させることにより、アクチュエータに対する電力供給時間を線形的に増大させることができるが、必要な充電時間も線形的に増大することになる。

図７は、上述した無線による間欠的なデータ交換の一実施形態を示している。
エネルギ収集機構を有したＨＶＡＣアクチュエータは、住宅や商用ビルディング用の極めて先進的な制御を可能とする。エネルギ収集機構は、新築住宅への設置が容易であると共に、年数を経た住宅に対しても取り付けが容易である。このような装置を用いることによって、ＨＶＡＣシステムのエネルギ効率及び快適性を大幅に向上させることができる。

本願は、２００８年６月１８日に出願された米国仮出願第６１／１３２，３５１号に基づき優先権を主張するものであり、その全てが参照によりここに編入されるものである。

Claims (21)

1. 通過する気流を調整する可変通気口と、
   前記可変通気口を制御するアクチュエータと、
   前記アクチュエータにエネルギを供給し、前記アクチュエータの作動に必要なエネルギを周囲の環境から得る環境エネルギ収集機構と
   を備えることを特徴とする暖房、換気及び空調システム。
2. 前記環境エネルギ収集機構は、温度差または温度変化を利用する熱電発電装置であることを特徴とする請求項１に記載の暖房、換気及び空調システム。
3. 前記温度差は、前記可変通気口の内側と外側との温度差であることを特徴とする請求項２に記載の暖房、換気及び空調システム。
4. 前記エネルギ収集機構は、
   気流の運動エネルギと、
   環境光と、
   前記暖房、換気及び空調システム自身によって供給されるエネルギと
   の１つに基づくエネルギを変換することを特徴とする請求項１に記載の暖房、換気及び空調システム。
5. 前記エネルギ収集機構によって変換されたエネルギを蓄えるエネルギ蓄積手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の暖房、換気及び空調システム。
6. 前記エネルギ蓄積手段は、蓄電器、充電式蓄電池、または機械的蓄積手段であることを特徴とする請求項５に記載の暖房、換気及び空調システム。
7. 状態情報を検出して通信するように構成された少なくとも１つのセンサを更に備え、
   前記状態情報は、
   屋内空気の非汚染度と、
   一酸化炭素、二酸化炭素、及びまたは煙の濃度と、
   窓、ドア、及びその他の設備の状態と、
   室温と、
   湿度と、
   人間及びまたは動物の存在情報と、
   前記通気口から放出される空気の温度と、
   露点と、
   温度、気流速度、及びモータ速度といった暖気及び冷気発生システムのパラメータと、
   空気流量と相関する前記可変通気口の位置と
   のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の暖房、換気及び空調システム。
8. 前記センサは、自己給電式であって、状態情報を無線で通信することを特徴とする請求項７に記載の暖房、換気及び空調システム。
9. コントロールユニットを更に備え、
   前記コントロールユニットは、
   少なくとも１つのセンサにより検出されて及び通信された状態情報に基づき、少なくとも１つのアクチュエータを制御することを特徴とする請求項７に記載の暖房、換気及び空調システム。
10. 前記コントロールユニットは、
    供給する空気の温度、
    供給する空気の気流速度、及びまたは
    前記気流の方向
    を制御することを特徴とする請求項９に記載の暖房、換気及び空調システム。
11. 中央コントロールユニットが、複数のコントロールユニットに情報を供給するように構成され、前記複数のコントロールユニットのそれぞれは、各自の少なくとも１つのセンサによって検出されて通信された少なくとも１つの状態情報に基づき、少なくとも１つのアクチュエータを制御するように構成され、
    前記中央コントロールユニットは、プログラムに従い、及びまたは前記センサによって供給された前記状態情報に応じ、前記アクチュエータを個別に制御することを特徴とする請求項７に記載の暖房、換気及び空調システム。
12. 前記アクチュエータは、電動モータ、機械的スプリング、または気流の力によって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の暖房、換気及び空調システム。
13. 前記電動モータはステップモータであることを特徴とする請求項１２に記載の暖房、換気及び空調システム。
14. 前記通気口は、より古い通気口と交換可能な大きさを有していることを特徴とする請求項１に記載の暖房、換気及び空調システム。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の暖房、換気及び空調システムを運転する方法であって、
    少なくとも１つのセンサにより、周期的に状態情報を検出して前記コントロールユニットに通信する工程と、
    前記アクチュエータにより、周期的に実際の通気口位置を前記コントロールユニットに通信する工程と、
    前記実際の通気口位置を、前記状態情報及び少なくとも１つの予め設定された値とから前記コントロールユニットによって演算された目標通気口位置と比較する工程と、
    前記比較の結果に応じ、前記アクチュエータを用いて前記通気口を最新の位置とする工程と
    を備えることを特徴とする暖房、換気及び空調システムの運転方法。
16. 前記アクチュエータは、確認メッセージを送出し、所定期間にわたり、自身の位置を最新の位置に更新するべく前記コントロールユニットによりバッファに保持されて送信されるメッセージを受信するための待ち受け状態となることを特徴とする請求項１５に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。
17. 前記アクチュエータは、
    前記コントロールユニットに前記確認メッセージを送り、
    前記コントロールユニットからバッファに保持された前記メッセージを受信し、且つ
    前記通気口を最新の位置とする
    ために十分な長さの期間にわたり起動状態となることを特徴とする請求項１６に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。
18. 前記アクチュエータは段階的に位置が変更されることを特徴とする請求項１７に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。
19. 周囲の環境からエネルギを収集し、当該エネルギを前記エネルギ蓄積手段に蓄える工程と、
    前記センサからの前記状態情報を受信して前記実際の通気口位置を前記目標通気口位置と比較するために前記コントロールユニットを起動する工程と、
    前記比較の結果に応じて前記通気口を最新の位置とする工程と、
    前記コントロールユニットを、少なくとも部分的に非作動状態とする工程と
    を更に備えることを特徴とする請求項１７に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。
20. 対象温度調整ゾーン内の空気よりも、屋外または他の温度調整ゾーンからの空気が冷たい場合には、前記屋外または他の温度調整ゾーンからの空気を当該対象温度調整ゾーンの冷房に使用し、
    前記対象温度調整ゾーン内の空気よりも、前記屋外または他の温度調整ゾーンからの空気が暖かい場合には、前記屋外または他の温度調整ゾーンからの空気を当該対象温度調整ゾーンの暖房に使用する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。
21. 前記可変通気口は、夜間及び早朝において前記対象温度調整ゾーンを冷房する場合に、自動的に開動されることを特徴とする請求項２０に記載の暖房、換気及び空調システムの運転方法。