KR20000016478A - 쾌적 온도 컨트롤러 - Google Patents

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KR20000016478A
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디팩 제이 샤
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데이비드 에스. 호이리스
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Abstract

기후 제어 시스템용 컨트롤러는 구내에 건구 온도 센서뿐 아니라 상대 습도 센서를 구비한다. 습도값은 건구 온도와 관련하여 건도 온도와 상대 습도값의 함수인 겉보기 온도 에러 신호를 발생시키는데 사용된다. 이것에 의해, 기후 제어 시스템의 변칙적인 사이클링 없이 구내 온도 및 구내 습기량 모두를 확실하게 제어할 수 있다. 상기 구내 온도 및 구내 습기량을 직접 측정하는 센서를 이용하는 대신, 겉보기 온도는 구내의 상대 습도 및 건구 온도로부터 종합적으로 다루어질 수 있다.

Description

쾌적 온도 컨트롤러
현재 공기 조화기의 동작을 명령하는 데에 사용되는 서모스탯은 통상적으로 제어된 변수로서 건구 온도를 이용한다. "건구 온도(dry-bulb temperature)"란 용어는 통상적인 온도 센서에 의해 측정될 때의 공기의 실제 온도를 의미하며, 이하 명백한 설명이 없는 한, 건구 온도에 대해서는 "온도" 또는 "공기 온도"라는 용어를 사용한다. 공기 온도를 측정하는 것은 용이하며, 이 측정은 이미 대부분의 서모스탯에서 이용가능하다. 공기 조화 모드에 있어서의 통상적인 서모스탯은 온도가 설정점 값 이상으로 상승할 때 공기 조화기가 동작하는 것을 개시하도록 한다. 이 공기 조화기는 구내 온도가 설정점 값 이하의 포인트로 떨어질 때까지 차가운 공기를 구내에 주입함으로써 응답한다. 통상적인 서모스탯은 실제 설정점이 도달되기 전에 공기 조화기를 온시키도록 예측 소자를 이용한다. 많은 경우에, 이러한 형태의 제어가 구내 거주자에 대해 쾌적한 공기를 발생시킨다.
공기를 냉각시키는 것뿐 아니라 공기로부터 수분을 제거하는 공기 조화기도 공지되어 있다. 수분을 제거하는 메카니즘은 구내로부터 및/또는 옥외로부터의 공기를 공기 조화기를 통과시켜, 이 공기의 온도를 실질상 쾌적 온도 범위인 70℉~74℉보다 낮게 감소시키는 것이다. 공기로부터 수분을 제거하기 위해, 적어도 일부 공기의 온도는 수분이 공기로부터 액화하는 온도인, 그 이슬점 온도 이하로 저하되어야만 한다. 조화된 공기중의 일부 수분은 이 과정에서 공기 조화기의 냉각 코일(증발기) 상에 응축되어 코일로부터 물을 배수하는 하부의 팬으로 떨어진다. 공기는 100%의 상대 습도, 즉 그 이슬점에 도달할 때까지 조금도 그 수분을 방출하지 않기 때문에, 적어도 열 교환기의 냉각된 표면 부근의 공기를 그 이슬점 온도에 도달시키는 것이 필요하다. 그러나, 냉각 코일을 통과하는 전체 공기 스트림은 전체 공기가 그 이슬점까지 냉각되지 않기 때문에, 100% 상대 습도에 도달할 수는 없다. 상대적으로 냉각되고 건조되도록 조화된 공기(거의 100%의 상대 습도를 가진 경우라도 상대적으로 건조)는 구내의 불쾌하게 덥고 눅눅한 공기와 혼합되고 또한, 서모스탯에 의해 제어되어 쾌적 온도인 70℉~74℉에서 더 만족스러운 40~60%의 상대 습도를 달성한다.
일반적으로 상기 과정에 의해 구내의 공기는 쾌적 온도 범위의 온도 및 습도를 갖게 된다("습도(humidity)"란 용어는 명백한 설명이 없는 한 공기 중의 실제 습기량을 의미한다). 그러나, 공기가 온도 요구 조건이 충족될 때 여전히 높은 습도를 가질 수 있는 경우가 있다. 온도 및 습도 모두에서 쾌적 레벨을 갖는 공기를 달성하기 위해서, 공기 조화기는 설정점 온도에 도달할 때 습도도 만족스럽도록 구내가 제공할 것으로 예측되는 부하에 적합한 크기를 갖는다. 그러나, 설정점 온도에 도달할 때, 예외적으로 습도가 높은 경우나 현재 환경 조건에 대한 공기 조화기의 능력이 충분하지 않을 경우, 구내의 공기는 과도한 습도를 가질 수 있다.
상대 습도 센서를 서모스탯에 간단히 설치한 후, 상대 습도를 선택된 설정점 범위 내에 유지하기 위해 공기 조화기를 제어함으로써 구내의 상대 습도를 제어하는 간단한 방법을 생각할 수 있다. 이 방법에 있어서의 문제점은, 구내의 범위 내에서 공기를 냉각하고 습기를 제거할 때 구내 공기의 상대 습도는 실제로 상승한다는 점이다. 이 개연성은, 상대 습도가 소정 용적 또는 부피의 공기에 있어서의 수증기량 및 그 건구 온도의 양자에 대한 함수이기 때문에 발생한다. 임의의 용적의 공기에 대한 상대 습도는 그 온도에서의 포화 스트림의 증기압에 대한 공기 중의 수증기의 부분적 증기압의 비율로서 정의된다. 포화 스트림의 증기압은 온도에 따라 급격히 떨어지기 때문에, 낮은 온도에서 공기의 용적에서의 상대적으로 낮은 수증기량은 100% 상대 습도를 발생시킬 수 있다. 따라서, 서모스탯의 상대 습도 제어 기능이 추가 탈습을 계속 요구하는 곤란한 상황이 발생할 수 있으며, 구내 온도가 내려가면 상대 습도는 상승하고 공기 조화기는 온이 된다.
종래 기술로서 미국 특허 제4,105,063호(버트)에는 구내 이슬점 온도를 건구 온도에 독립적으로 제어하는 공기 조화 시스템을 개시하고 있다. 이 특허에는 절대 습기량에 응답하여 통상의 건구 온도 제어와 병행하여 동작하는 센서가 제공된다. 2가지 제어 기능의 병행 동작으로 인해, 바람직하지 않게 사이클이 짧아질 수 있다. 사이클이 과도해지는 이러한 문제는 본 발명에 의해 해결된다. 이 특허는 또한 처리의 효율성을 감소시키는 재가열의 과정을 필요로 한다.
미국 특허 제4,899,280호(그랠드 및 맥아서)에는, 절대 습도 에러 신호에 응답하여 소정의 건구 온도 설정점을 변경하는 경매(auctioneering) 컨트롤러를 개시하고 있다. 제어된 구내 온도는 항상 쾌적하지만은 않으며, 사이클이 과도해질 수 있는 가능성이 있다.
본 명세서에 참조로 통합된 본 발명자에 의한 미국 특허 제5,346,129호는, 구내에 건구 온도 센서뿐 아니라 상대 습도 센서를 갖는 기후 제어 시스템용 컨트롤러를 개시한다. 이 상대 습도 및 건구 온도는 습기(이슬점 또는 습구) 온도를 결정하기 위해 이용된다. 습기 온도값은 건구 온도와 함께 사용되어 건구 및 습기 온도값 모두에 대한 함수인 단일 에러 신호를 발생시킨다. 이에 따라, 구내 온도 및 구내 습도를 기후 제어 시스템의 변칙의 사이클링을 요구하지 않고 제어할 수 있다. 미국 특허 제5,346,129호에 개시된 시스템은 습기 온도 에러와 건구 온도 에러의 함수에서의 에러값(εH)에 기초한다. 본 발명은 이전의 발명을 개선한 것으로, 본 발명에서의 에러값(εap)은 겉보기 온도의 함수이다.
본 발명은 일반적으로 구내 거주자에 대해 쾌적 온도를 유지하기 위한 공기 조화 장치와 같은 실내 기후 조절 장치의 제어에 관한 것이다. 더 중요한 응용은 공기 조화기, 냉각 모드에서의 열 펌프 작동 등과 같은 기계적인 냉각 장치의 동작을 제어하는 것에 있으며, 따라서 이하의 설명 및 개시는 공기 조화의 경우에 기본적으로 바탕을 두고 있다. 본 발명은 통상적으로 공기 조화 제어 모듈에 대한 동작 전류의 흐름을 제어하는 고체 상태의 스위치를 개방하고 폐쇄하는 것을 제어하는 마이크로컨트롤러를 온도 센서 및 상대 습도 센서와 함께 사용하는 전자 서모스탯에서 구현된다.
도 1은 본 발명을 채용한 완비된 공기 조화 설비를 나타내는 블록도이다.
도 2는 기후 제어 시스템용 컨트롤러에 의해 구현된 알고리즘의 바람직한 실시예를 나타내는 계산 도면이다.
도 3은 기후 제어 시스템용 컨트롤러에 의해 구현된 알고리즘의 제2 실시예를 나타내는 계산 도면이다.
도 4는 2 스테이지 냉각 수단을 갖는 기후 제어 시스템용 컨트롤러에 의해 구현된 알고리즘의 바람직한 실시예를 나타내는 계산 도면이다.
도 5 및 도 5b는 일반적인 열 스트레스 지수를 나타내는 그래프이다.
참조된 특허의 상기 및 다른 결점은 겉보기 온도의 함수로서 에러값을 계산하는 본 발명에 의해 해결된다. 이 에러값은 기후 제어 시스템용 컨트롤러에 의해 이용되는 제어 알고리즘에 대한 입력으로서 사용되어, 구내 공기의 온도 및 습도를 변경하기 위해 기후 제어 시스템을 구동시키는 시간을 결정한다.
이러한 컨트롤러는 상대 습도값을 엔코딩하는 상대 습도 신호를 제공하는 상대 습도 센서 및 건구 온도값을 엔코딩하는 공기 온도 신호를 제공하는 온도 센서를 포함한다. 이들 값은 겉보기 온도값으로 변환된다. 메모리는 건구 온도 설정점 값 및 상대 습도 설정점 값을 기록한다. 건구 설정점 값 및 상대 습도 설정점 값은 겉보기 온도 설정점 값으로 변환된다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 겉보기 온도 설정점 값은 조화되는 공간의 거주자에 의해 직접 입력될 수 있다. 비교 수단은, 겉보기 온도값 및 겉보기 온도 설정점 값을 수신하여, 에러값을 계산하고 소정 범위의 에러값에 응답하여 명령 신호를 발행한다. 전형적인 장치에서는, 명령 신호가 기후 제어 시스템에 공급된다. 명령 신호가 제공되는 동안, 기후 제어 시스템은 구내의 겉보기 온도를 설정점 값에 근접하게 이동시키기 위해 구내 공기를 냉각하고 그 온도 및 습도를 감소 또는 증가시킴으로써 에러값을 감소시키도록 동작한다.
"겉보기 온도(apparent temperature)"란 용어는 더 일반적으로 "열 지수(heat index)"라고 알려져 있으며, 공기의 건구 온도와 습기량의 결합 효과로부터 발생되는 유효 또는 겉보기 온도이다. 본 발명의 목적을 위해, 용어 "겉보기 온도"는 "열지수" 및 "겉보기 온도"를 모두 나타낸다.
도 1에서, 본 발명은 공기 조화 설비용 컨트롤러(25)로 구현되어 도시되어 있다. 구내(12)는 도체(42)에 제공되는 외부 공급 AC 전원으로 동작하는 통상적인 공기 조화 장치(19)로부터 냉각되고 습기가 제거된 공기를 공급 받는다. 제어 소자(23)는 도체(38, 39)를 통하여 컴프레서(17) 및 송풍기(20)에 전력을 스위치함으로써, 그 동작에 요구되는 시퀀싱을 제공한다. 컴프레서(17)는 송풍기(20)와 함께 열 교환기 플리넘(21)에 장치된 신장기 코일(18)에 액상 냉매제를 제공한다. 공기 조화 장치(19)는 명령 신호가 경로(26)에 제공되는 동안 동작한다. 경로(26) 상의 명령 신호는 스위치(29)를 폐쇄하여 경로(40) 상의 VAC 소스에 의해 공급된 제어 전류가 경로(41)를 통해 공기 조화 장치 컨트롤러(23)로 흐를 수 있다. 공기 조화 장치(19)가 동작하는 동안, 팬(20)은 코일(18)에 공기를 공급하여 공기를 냉각하고 습기 제거한다. 이 조화된 공기는 덕트(22)를 통해 구내로 흘러 들어가 구내(12) 공기의 온도 및 습도 모두를 저하시킨다. 경로(26) 상의 명령 신호는 전자 회로 내에서 발생하는 기능을 갖는 컨트롤러(25)에 의해 제공된다. 컨트롤러(25)는 전형적으로 통상적인 서모스탯에 대해 이루어지는 방식으로 구내(12)의 벽면에 부착되어 진다.
컨트롤러(25)는 디지탈 데이터를 기억할 수 있는 메모리 장치(27)와, 메모리(27) 및 외부 소스로부터 제공되는 데이터에 따라 계산 및 비교 동작을 수행할 수 있고 또한 명령 메모리 소자를 포함하는 프로세서 장치(28)를 구비한다. 메모리(27) 및 프로세서(28)로서 기능하는 통상적인 마이크로컨트롤러를 사용하는 것을 선호한다. 컨트롤러(25)는 또한, 구내 이내에 설치되고 구내(20) 공기의 상대 습도를 엔코딩하는 것으로 도시된 상대 습도 신호를 경로(30)를 통해 제공하는 상대 습도 센서(14)를 추가로 포함한다. 역시 구내(12)에 설치되는 온도 센서(25)도 경로(31)를 통해 공기 온도 신호에 건구 온도값을 유사하게 엔코딩한다. 프로세서(28)는 이들 온도 신호를 수신하고, 이들을 내부 동작을 위한 디지탈 값으로 변환한다.
경로(33~35)는 본 발명을 구현하기 위한 다양한 설정점 값을 엔코딩하는 메모리(27)에 신호를 전송한다. 전형적으로, 경로(33~35) 상의 신호는 구내(12)의 기후를 제어하는 책임을 갖는 사람에 의해 제공된다. 만일 이 사람이 구내(12)의 거주자이면, 설정점 값은 제어 레벨 또는 컨트롤러(25)의 외부에 구비된 다이알을 단순히 이동시킴으로써 선택될 수 있다. 이 값은 또한, 설정점에 대한 디지탈 값을 경로(33~35)에 신호의 형태로 제공하는 키패드에 의해 선택될 수 있다. 구내(12) 거주자는 다른 설계에서는 소정의 겉보기 온도를 입력할 수 있다. 이 경우, 메모리(27)는 이 설정점 값을 기록한다. 겉보기 온도는 통상적으로 "열 지수"라고 부르며, 발명의 목적을 위해 겉보기 온도는 그들이 다르다는 임의의 범위에 대해 2개의 정의를 포함해야 한다. 경로(33)는 구내(12) 이내의 소정의 상대 습도를 나타내는 상대 습도 설정점 값을 엔코딩하는 상대 습도 신호를 전송한다. 경로(34)는 바람직한 실시예에 있어서의 선택 사항이며, 메모리(27)에 건구 온도에 대한 제한된 값으로 기능하는 외부 공급 최소 공기(건구) 온도 설정점 값을 엔코딩하는 신호를 전송한다. 경로(35)는 공기(건구) 온도 설정점 값을 엔코딩하는 신호를 전송한다. 메모리(27)는 3개의 설정점 값을 기록하고, 경로(36)를 통해 프로세서(28)에 전송된 설정점 신호로 이들을 엔코딩한다. 메모리(27) 및 프로세서(28)가 통상적인 마이크로컨트롤러의 형태이면, 필요할 경우 이들 설정점 값이 프로세서(28)에 제공되는 과정은, 마이크로컨트롤러의 전체 동작에 대한 통상적인 제어 기능을 제공하는, 도시되지 않은 추가 회로에 포함된다.
도 1에 도시된 것과 같은 컨트롤러(25)의 구조는 완비된 것이지만, 본 발명을 구현하는 데 있어서 마이크로컨트롤러가 실행하는 동작에 대한 기재는 없다는 점에서 불완전하다. 프로세서 장치(28)는 그 내부에 프로세서 장치(28)에 의해 실행되는 명령의 시퀀스를 미리 기억하는 판독 전용 메모리(ROM)를 갖는다. 이들 명령의 실행에 의해 프로세서 장치(28)는 도 2의 기능 블록도에 의해 상세히 나타난 바와 같은 기능을 수행할 수 있다. 도 2는 바람직한 실시예가 갖는 구조뿐만 아니라 본 발명을 모두 이해하는데 있어서 도 1보다 훨씬 더 유용하다. 도 2는 도 1에 대체로 도시된 하드웨어에 대한 변형을 나타내고 설명하며, 이 변형에 의해 프로세서 장치(28)는 본 발명을 구현할 수 있다. 도 2의 각 소자가 프로세서 장치(28) 내에서 실제 물리적 구체예를 갖는다는 것은 주의되어야 한다. 이 물리적인 구체예는 도 2에 도시된 다양한 소자 및 데이타 경로의 기능을 제공하는 프로세서 장치(28) 내에서 구조의 실제 존재로부터 발생한다. 명령이 실행되는 동안, 각 명령의 실행에 의해 프로세서 장치(28)는 물리적으로 도 2에 도시된 소자의 부분이 될 수 있다. 프로세서 장치(28) 내의 ROM은 기능 블록의 생성을 발생시키는 명령을 기억하고 공급하는 것에 의해 도 2의 기능 블록의 각 부분을 형성한다. 프로세서 장치(28) 내에는 또한, 계산의 결과를 일시적으로 저장하는 수학 동작 레지스터가 제공된다. 이들은 마이크로컨트롤러의 프로세서 장치 부분 내에 물리적으로 장치될 수 있더라도 메모리(27)의 일부를 형성하는 것으로 간주된다.
신호 송신은 도 2에서 한쪽 기능 블록으로부터 시작하여 다른쪽 기능 블록으로 연결되는 라인인 화살표에 의해 도시되어 있다. 이는 한쪽 기능 소자에 의해 생성된 신호가 사용을 위해 다른쪽 기능 블록에 공급된다는 것을 함축한다. 마이크로컨트롤러 내에서, 이러한 신호 송신은 그 실행에 의해 마이크로컨트롤러가 하나의 기능 소자를 구성할 수 있도록 하는 일련의 명령이 실제로 디지탈 값을 생성하여, 다른 기능 소자에 대한 명령을 실행할 때 사용을 위해 그 신호 경로를 통해 마이크로컨트롤러 내에서 송신될 때 발생한다. 마이크로컨트롤러 내의 동일한 물리적 신호 경로가 도 2에 개별적으로 도시된 경로를 각각 갖는 많은 상이한 신호를 전송하는 것은 전적으로 가능하다. 실제로, 다양한 기능적 블록에 의해 시간적으로 공유되는 단일의 이러한 물리적 경로를 생각할 수 있다. 즉, 이러한 마이크로컨트롤러의 내부 경로는 상이한 시간에서, 단지 마이크로초 간격으로 도 2에 도시된 다양한 경로중 임의의 하나로서 기능할 수 있다.
이 시점에서, 도 2에 도시된 신호에 엔코딩된 각 값을 표로 정의한 범례를 제공하는 것이 도움이 된다:
Tav- 구내(12)의 가중 평균 온도
ø- 구내(12)의 상대 습도
Tdbsn- 지연 정정된, 구내(12) 공기의 센서 도출된 건구 온도
Tspsp- Tdbsp및 øsp로부터 도출되거나, 다른 구현으로 거주자에 의해 특정된, 구내(12)에 대한 겉보기 온도 설정점
Tapsn- Tdbsn및 øss에 기초한 구내(12) 공기의 도출된 겉보기 온도
Tdbsp- 구내(12)에 대한 건구 온도 설정점
øsp- 구내(12)에 대한 상대 습도 설정점
øsn- 지연 정정된 구내(12)의 센서 도출된 상대 습도
εsp- 겉보기 온도 에러
Tdbmn- Tdbsn에 대한 최소 허용값
εf- P-I-D 기능에 의해 제공된 최종 에러값
도 2에서, 개별적인 기능 블록은 각각이 나타내는 개별 기능을 나타내는 내부 라벨을 갖는다. 설정된 약정은 본 발명을 포함하는 다양한 기능을 나타내기 위해 도 2에 따른다. 각 직사각형 블록, 예컨대 블록(61)은 블록에 제공되는 신호에서 엔코딩된 값에 대한 수학적 또는 계산적 동작의 일부 형태를 나타낸다. 따라서, 평균 실내 온도 Tav를 엔코딩하는 경로(58) 상의 신호는 총괄적으로는 Tav에 대한 라플라스 연산자 변환을 형성하는 장치를 나타내는 기능 블록(61)에 제공되는 것으로 도시되어 있다. 다른 기능 블록은 결정 동작, 곱셈과 같은 다른 수학 함수의 계산 및 다양한 형태의 기타 라플라스 변환 동작을 나타낸다. 2개 이상의 신호가 제공되는 원은 인접한 가산 또는 감산 부호에 의해 지시된 바와 같이 합산 또는 다른 계산을 포함한다. 따라서, 합산 소자(71)에서, 경로(84,81)의 접합부에 인접한 가산 및 감산 부호는 경로(84)상에서 엔코딩된 값으로부터 경로(81) 상의 신호에서 엔코딩된 값의 차감을 의미한다.
도 2에 의해 나타난 다양한 계산, 동작 및 결정은 규칙적인 간격에서 통상적으로는 분마다 또는 연속적으로 지시된 시퀀스에서 수행된다. 계산이 연속적으로 진행된다면, 동작에 대해 중요한 다양한 값의 변화율을 결정하기 위해 하나의 완료에서 다음으로 경과하는 시간을 결정하는 것이 필요하다. 구내(12)의 온도 및 습도는 일반적으로 매우 천천히 변화하기 때문에, 분당 한번의 계산이 일반적으로 적절한 제어 정밀도 이상을 제공한다.
블록(67)은 경로(35) 상의 구내(12)에 대한 설정점 건구 온도 Tdbsp를 엔코딩하는 신호 및 경로(33) 상의 구내(12)에 대한 설정점 상대 습도 øsp를 엔코딩하는 신호를 수신한다. 경로( 35) 상의 Tdbsp값 및 경로(33) 상의 øsp는 계산 블록(67)에서 이용되어 구내(12)에 대한 설정점 겉보기 온도 Tapsp를 계산한다. 다른 경우로서, 만일 구내(12)의 거주자가 소정의 겉보기 온도를 입력한다면, 블록(67)은 무시할 수 있고, 소정의 겉보기 온도값이 경로(84) 상에 공급될 수 있다.
블록(61)은 구내(12)의 벽 온도와 공기 온도 Tav의 가중된 평균을 나타내는 값을 엔코딩하는 경로(58) 상의 신호를 수신한다. 블록(61)은 센서 응답 지연을 보상하도록 의도된 Tav에 대한 라플라스 변환 연산을 나타내고, Tdbsn을 엔코딩하는 경로(64) 상의 신호를 생성한다. Tdbsn의 계산은 통상과 같다. 본 발명이 제공하는 향상은 도 1에 도시된 공기 조화 장치(19)의 동작을 제어하는데 사용되는 에러를 계산하기 위한 추가 변수로서 겉보기 온도를 계산하기 위해 상대 습도 및 건구 온도를 사용하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 장치는 경로(30)에 공급된 센서(14)로부터의 신호에 엔코딩된 상대 습도값 ø을 사용한다. ø값은 지연 및 센서(14)의 불안전성을 보상하는 라플라스 변환 연산 블록(50)에 공급되어, 경로(51) 상에 변환된 상대 습도값 øsn을 제공한다. 경로(64) 상의 Tdbsn값 및 경로(51) 상의 øsn은 계산 블록(74)에서 이용되어 구내(12)의 판독된 겉보기 온도 Tapsn을 계산한다.
계산 블록(67,74)은, 표 1a 및 표 1b를 이용하여 겉보기 온도를 계산한다. 표 1a 및 표 1b는 건구 온도 및 상대 습도의 각 조합에 대응하는 겉보기 온도(섭씨)에 있어서 온도-습도 비율(scale)이다. 괄호 안의 값들은 90%의 체감 습도에 해당하며, 대략값이다. 이 표로 만들어진 데이터는 겉보기 온도 설정점 Tapsp및 판독된 겉보기 온도 Tspsn을 모두 계산하기 위해 각각 계산 블록(67,74)에 의해 이용된다. 표에 나타난 값들 사이에 있는 건구 온도 및 상대 습도의 값에 대해서는, 공지된 보간 기술(예컨대 선형 보간, 정방 보간 등)이 쌍으로 된 건구 온도 및 상대 습도에 대응하는 겉보기 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 양 계산 블록(67,74)에 대해서, 온도 및 상대 습도는 계산 블록(67)의 경우에는 설정점로서 연산자에 의해 또는 계산 블록(74)의 경우 센서(14, 15)에 의해 제공된다. "계산"이란 용어는 본 명세서에서 모든 종류의 데이타 조작을 포함하는 넓은 의미로 사용되었다.
건구 온도 상대 습도 %
(섭씨) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
20 16 17 17 18 19 19 20 20 21 21 21
21 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23
22 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24
23 20 20 21 22 22 23 23 24 24 24 25
24 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26
25 22 23 24 24 24 25 25 26 27 27 28
26 24 24 25 25 26 26 27 27 28 29 30
27 25 25 26 26 27 27 28 29 30 31 33
28 26 26 27 27 28 29 29 31 32 34 (36)
29 26 27 27 28 29 30 31 33 35 37 (40)
30 27 28 28 29 30 31 33 35 37 (40) (45)
31 28 29 29 30 31 33 35 37 40 (45)
32 29 29 30 31 33 35 37 40 44 (51)
33 29 30 31 33 34 36 39 43 (49)
34 30 31 32 34 36 38 42 (47)
35 31 32 33 35 37 40 (45) (51)
36 32 33 35 37 39 43 (49)
37 32 34 36 38 41 46
38 33 35 37 40 44 (49)
39 34 36 38 41 46
40 35 37 40 43 49
41 35 38 41 45
42 36 39 42 47
43 37 40 44 49
44 38 41 45 52
45 38 42 47
건구 온도 상대 습도 %
(섭씨) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
46 39 43 49
47 40 44 51
48 41 45 53
49 42 47
50 42 48
겉보기 온도를 결정하기 위한 표 1a 및 표 1b의 대안으로서, 도 5가 다른 방법으로 이용될 수 있다. 더욱이, 간략화된 수학적 관계는 표 1a 및 표 1b 또는 도 5로부터의 데이타 및 건구 온도와 상대 습도의 함수로서 겉보기 온도를 계산하기 위한 데이타 부합 곡선을 이용함으로써 전개될 수 있다. 도 5의 소스는 "Heat Stress - A comparison of Indices"; Quayle, Robert and Doehring, Fred; Weatherwise, Vol.34,June 1981, pages 120-124이다.
바람직한 실시예가 겉보기 온도를 계산하기 위해 상대 습도 센서 및 온도 센서를 통합하였더라도, 본 발명에서 고려되어 지는 겉보기 온도를 결정하는 유일한 수단이 아니다. 넓은 의미에서, 겉보기 온도가 추론될 수 있는 모든 열역학적 특성을 이용할 수 있는 것이다. 그 실예로는, 습구 온도, 이슬점 온도 및 기타가 있다. 표 2는 건구 온도와 이슬점 온도의 함수로서의 겉보기 온도를 나타낸다. 이 경우, 판독된 이슬점 온도는 직접 측정되거나, 측정된 건구 온도와 상대 습도값으로부터 도출되며, 이슬점 온도 설정점은 사용자에 의해 특정되거나 또는 사용자 특성 건구 온도와 상대 습도 설정점 값으로부터 계산된다. 표 1a, 표 1b 및 표 2는 "The Assessment of Sultriness. Part 1: A Temperature-Humidity Index Based On Human Physiology and Clothing Science"; Steadman, R.G.; Journal of Applied Meteorology, Vol.18, No.7,1979, pages 861-873에 기재된 것이다.
이슬점 온도(섭씨)
건구 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
온도 증기압 P(kPa)
(섭씨) 0.67 0.71 0.81 0.94 1.07 1.23 1.40 1.60 1.82 2.06 2.34 2.64 2.98 3.36 3.78 4.24
20 18 18 18 19 19 19 20 20 21 21 21
22 20 20 21 21 21 22 22 22 22 23 23 24
24 22 23 23 23 23 24 24 24 24 25 25 26 26
26 24 25 25 25 25 25 26 26 26 27 27 28 29 30
28 26 27 27 27 27 27 28 28 29 29 30 31 32 33 (36)
30 28 28 28 29 29 29 30 30 31 31 32 33 35 36 38 (45)
32 30 30 30 31 31 31 31 32 33 33 34 36 37 39 41 (50)
34 32 32 32 33 33 33 33 34 35 36 37 38 40 42 45
36 33 33 34 34 34 35 35 36 37 38 39 41 43 45 48
38 35 35 35 36 36 37 37 38 39 41 42 44 46 49 52
40 36 37 37 38 38 39 39 40 41 43 45 47 49 52
42 38 38 39 39 40 40 41 42 43 45 47 49 52
44 40 40 41 41 42 42 43 44 45 47 49 52
46 42 42 42 43 44 44 45 46 47 49 51
48 43 44 44 45 45 45 46 48 49 51
50 45 45 46 46 48 50 52
겉보기 온도 설정점 값 Tapsp는 거주자에 의해 특정될 때, 계산 블록(67) 또는 메모리(27)에 의해 경로(84)를 통해 합산 소자(71)에 공급되고, Tapsp로부터 차감된다. 이 결과는 겉보기 온도 에러 εap이다.
명령 신호를 유도하기 위해 겉보기 온도 에러값 εap를 직접 사용하는 것은 바람직하지 않다. 대신에, εap는 Gp, Gi/s 및 Gds 블록(91-93)을 포함한 통상적인 PID(proportional, integral, derivative) 제어 기능에 제공되며, 상기 블록의 출력값은 합산 블록(96)(PID 제어 기능의 일부)에 의해 합산되어, 경로(98) 상의 최종 에러 신호에 엔코딩된 최종 에러값 εf를 생성한다.
경로(98) 상에서 전송되는 최종 에러값 εf는 경로(26) 상에서 명령 신호로 변환된다. εf는 경로(26) 상의 최종 명령 신호를 도출하는데 있어서 예측 함수를 삽입하기 위해 공지된 기술에 따라 복수의 계산 스테이지를 통해 변경되는 것이 바람직하다. 명령 신호 계산의 각 스테이지는 공기 조화 장치(19)의 온 상태에 대응하는 것으로 생각될 수 있는 논리 1을 갖는 신호를 생성한다. 경로(26) 상의 신호 전압은 명령 신호가 제공되지 않을 때 논리 0에 대응하는 레벨을 갖는다. 논리 1이 경로(26) 상에 제공되면, 스위치(29)(도 1을 참조)는 폐쇄되고, 전류가 공기 조화 장치(19)로 흐른다. 경로(26)가 논리 0 값을 전송할 때, 스위치(29)는 개방되고 장치(19)는 작동하지 않는다.
예측 기능은 합산 블록(101) 및 기능 블록(103,113)에 의해 통상적인 방식으로 실행된다. 블록(113)은 경로(26) 상에 전송된 신호에 공지된 방식으로 라플라스 변환 연산을 적용하여 그 논리 0과 1 값을 시간에서 시프트한다. 테스트 블록(103)의 히스테리시스는 0의 값을 경로(115)를 통해 합산 블록(101)로 리턴하고, 경로(98) 상의 최종 에러값 εf는 히스테리시스 테스트 블록(103)에 의해 사용되어, 경로(26) 상의 명령 신호의 제1 스테이지의 시간 및 길이를 결정한다. 만일 블록(113)이 합산 블록(101)에 0과 다른 값을 리턴하면, 테스트 블록(103)으로 공급된 경로(98) 상의 에러값 εf는 가산 블록(101)에 의해 감소되어, 명령 신호의 개시를 지연하고 그 간격 길이를 짧게 함으로써 개시가 지연되고 공기 조화 장치(19)의 휴지 시간이 빨라진다.
도 3에 도시된 선택적 특징부는 경로(105) 상의 명령 신호의 제1 스테이지를 수신하는 테스트 블록(108)이다. 극히 높은 습도의 드문 경우 또는 공기 조화 장치가 매우 작은 경우나 øsp에 대해 상대적으로 낮은 값이 선택될 때, 판독된 건구 온도 Tdbsn의 값이 쾌적하지 않은 낮은 값을 발생시킬 수 있다. 이러한 잠재적 문재를 해결하기 위해, 테스트 블록(108)은 경로(64) 상의 Tdbsn값을, 그리고 경로(34) 상의 Tdbmn값을 수신한다. Tdbmn은 공기 조화 장치의 불완전한 동작에 대해 건구 온도를 제한하는 것으로 사용된다. 만일 조건 Tdbmn＞Tdbsn이 발생하면, 구내(12)에서 현실의 겉보기 온도에 상관없이 경로(26) 상의 최종 명령 신호는, 겉보기 온도 에러 εap가 이것의 원인이 되는 εap의 값을 발생시키는 레벨로 감소하기 전에 공기 조화 장치(19)를 휴지하도록 내려간다.
본 발명의 제3 실시예는 공기 조화기의 가변 속도(용량) 컴프레서 또는 열 펌프의 사용을 통합하여, 서모스탯과 같은 컨트롤러로부터의 적당한 신호에 응답하여 얼마큼 신속하게 컴프레서가 동작되는 지에 대한 함수로서 구내에 대해 상이한 냉각량을 제공한다. 가변 속도 제어는 미국 특허 제5,314,004호 및 제5,309,730호에 모두 개시되어 있다. 도 4에 도시된 실시예는 도 2에 하나의 첨가물을 제외하고 동일하다. 경로(98) 상의 εf는 가변 속도 제어(120)에 제공된다. 가변 속도 제어(120)는 경로(125) 상의 제어 신호를 가변 속도 컴프레서 제어에 제공한다.

Claims (25)

  1. 겉보기 온도 에러 신호에 엔코딩된 겉보기 온도 에러값에 응답하여 구내 공기의 온도 및 습기량을 조절하는 기후 제어 시스템을 동작시키는 기후 제어 시스템용 컨트롤러와 함께 동작하는 장치에 있어서,
    a) 상대 습도값을 엔코딩하는 상대 습도 신호를 제공하는 상대 습도 센서와,
    b) 건구 온도값을 엔코딩하는 공기 온도 신호를 제공하는 온도 센서와,
    c) 겉보기 온도 설정점 값을 엔코딩하는 설정점 신호를 기록하는 메모리와,
    d) 습도 및 공기 온도 신호와 설정점 신호를 수신하여, 습도 및 공기 온도 신호와 설정점 신호에 엔코딩된 값의 함수로서 겉보기 온도 에러값을 계산하고, 상기 겉보기 온도 에러 신호에 겉보기 온도 에러값을 엔코딩하는 에러 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에러 계산 수단은, 상대 습도값 및 건구 온도값에 기초하여 상기 겉보기 온도값을 형성하고, 상기 겉보기 온도 설정점 값과 상기 겉보기 온도 값 사이의 차이인 겉보기 온도 에러값을 계산하는 계산 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 겉보기 온도 에러값의 함수로서 결정된 간격 동안 명령 신호를 제공하는 겉보기 온도 에러 신호를 수신하는 에러 처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 메모리는 한도 건구 온도값을 기억하고 한도 온도 신호에 한도 건구 온도값을 엔코딩하는 신호를 제공하는 수단을 포함하고, 상기 에러 처리 수단은, 상기 한도 온도 신호를 공기 온도 신호에 엔코딩된 값과 비교하고 상기 한도 건구 온도값과 건구 온도값 사이의 소정의 관계식에 응답하여 명령 신호를 억제하는 비교 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장치는 기계적 냉각 기능을 갖는 기후 제어 시스템의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 가변 용량 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제5항에 있어서, 다중 스테이지 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제5항에 있어서, 팬 코일 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 겉보기 온도 에러 신호에 엔코딩된 겉보기 온도 에러값에 응답하여 구내 공기의 온도 및 습기량을 조절하는 기후 제어 시스템을 동작시키는 기후 제어 시스템용 컨트롤러와 함께 동작하는 장치에 있어서,
    a) 판독된 겉보기 온도값을 엔코딩하는 판독된 겉보기 온도 신호를 제공하는 겉보기 온도 센서와,
    b) 겉보기 온도 설정점 값을 기록하고, 겉보기 온도 설정점 값을 엔코딩하는 겉보기 온도 설정점 신호를 제공하는 메모리와,
    c) 판독된 겉보기 온도 신호와 겉보기 온도 설정점 신호를 수신하고, 판독된 겉보기 온도 신호와 겉보기 온도 설정점 신호에 엔코딩된 신호의 함수로서 겉보기 온도 에러값을 계산하고, 겉보기 온도 에러 신호에 겉보기 온도 에러값을 엔코딩하는 에러 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 메모리 수단은 건구 온도 설정점 값 및 상대 습도 설정점 값을 기록하는 수단을 포함하고, 상기 계산 수단은 건구 온도 설정점 값과 상대 습도 설정점 값의 함수로서 겉보기 온도 설정점 값을 엔코딩하는 겉보기 온도 설정점 신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에러 계산 수단은, 구내 건구 온도 및 상대 습도를 판독하는 수단 및 판독된 건구 온도와 상대 습도 값의 함수로서 판독된 겉보기 온도를 엔코딩하는 판독된 겉보기 온도를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 겉보기 온도 에러 신호에 엔코딩된 겉보기 온도 에러값에 응답하여 구내 공기의 온도 및 습기량을 조절하는 기후 제어 시스템을 동작시키는 기후 제어 시스템용 컨트롤러와 함께 동작하는 장치에 있어서,
    a) 구내의 습기 있는 공기에 대한 임의의 2가지 열역학적 특성을 판독함으로써 실내 겉보기 온도를 결정하고 판독된 겉보기 온도값을 엔코딩하는 판독된 겉보기 온도 신호를 제공하는 수단과,
    b) 겉보기 온도 설정점 값이 추론될 수 있는 습기 있는 공기에 대한 임의의 2가지 열역학 특성에 대한 설정점 값을 기록하고, 겉보기 온도 설정점 값을 엔코딩하는 겉보기 온도 설정점 신호를 제공하는 메모리와,
    c) 판독된 겉보기 온도 신호 및 겉보기 온도 설정점 신호를 수신하고, 판독된 겉보기 온도 신호와 겉보기 온도 설정점 신호에 엔코딩된 신호의 함수로서 겉보기 온도 에러값을 계산하고, 겉보기 온도 에러 신호에 겉보기 온도 에러값을 엔코딩하는 에러 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 에러 계산 수단은 겉보기 온도 설정점 값과 겉모기 온도값 사이의 차이인 겉보기 온도 에러 신호를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 겉보기 온도 에러값의 함수로서 결정된 간격 동안 명령 신호를 제공하는 겉보기 온도 에러 신호를 수신하는 에러 처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 장치는 기계적 냉각 기능을 갖는 기후 제어 시스템의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 가변 용량 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항에 있어서, 다중 스테이지 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제15항에 있어서, 팬 코일 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 겉보기 온도 에러 신호에 엔코딩된 겉보기 온도 에러값에 응답하여 구내 공기의 온도 및 습기량을 조절하는 기후 제어 시스템을 동작시키는 기후 제어 시스템용 컨트롤러와 함께 동작하는 장치에 있어서,
    a) 구내의 습기 있는 공기에 대한 임의의 2가지 열역학적 특성을 판독함으로써 실내 겉보기 온도를 결정하고 판독된 겉보기 온도값을 엔코딩하는 판독된 겉보기 온도 신호를 제공하는 수단과,
    b) 상기 겉보기 온도 설정점 값을 기록하고 상기 겉보기 온도 설정점 값을 엔코딩하는 겉보기 온도 설정점 신호를 제공하는 메모리와,
    c) 판독된 겉보기 온도 신호 및 겉보기 온도 설정점 신호를 수신하고, 판독된 겉보기 온도 신호와 겉보기 온도 설정점 신호에 엔코딩된 신호의 함수로서 겉보기 온도 에러값을 계산하고, 겉보기 온도 에러 신호에 겉보기 온도 에러값을 엔코딩하는 에러 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 에러 계산 수단은 겉보기 온도 설정점 값과 겉보기 온도값 사이의 차이인 겉보기 온도 에러 신호를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 겉보기 온도 에러값의 함수로서 결정된 간격 동안 명령 신호를 제공하는 겉보기 온도 에러 신호를 수신하는 에러 처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 장치는 기계적 냉각 기능을 갖는 기후 제어 시스템의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 가변 용량 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제22항에 있어서, 다중 스테이지 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제22항에 있어서, 팬 코일 냉각 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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