KR20160042810A - 듀티 사이클 기반 hvac＆r 장비의 자동 제어를 위한 제어기, 및 그를 사용하는 시스템 및 방법 - Google Patents

듀티 사이클 기반 hvac＆r 장비의 자동 제어를 위한 제어기, 및 그를 사용하는 시스템 및 방법 Download PDF

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페이스컨트롤스, 엘엘씨
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Abstract

난방, 환기, 공조 또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning or refrigeration, HVAC&R) 시스템의 자동 제어를 위한 전자 제어기 디바이스는 부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동(selected conditioned space temperature variation)을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기(delayed start controller), 및 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기(demand regulator controller)를 적어도 가진다. 전자 제어기 디바이스는 지연 기동 제어기 및 수요 조절기 제어기를 구현하는 프로그램들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있고, 선택적으로 다른 제어기 모듈들이, 에너지 소비 및/또는 수요를 관리하고 감소시키기 위해, OEM ON 신호들을 지연시키고 그리고/또는 "온" 및 "오프" 상태들을 조절하며, 그리고/또는 다른 부하 유닛 제어를 제공할 수 있다.

Description

듀티 사이클 기반 HVAC＆R 장비의 자동 제어를 위한 제어기, 및 그를 사용하는 시스템 및 방법{CONTROLLER FOR AUTOMATIC CONTROL OF DUTY CYCLED HVAC＆R EQUIPMENT, AND SYSTEMS AND METHODS USING SAME}
본 출원은 35 U.S.C. §119(e)에 따라 2013년 3월 15일자로 출원된 선행 미국 가특허 출원 제61/799,804호에 기초하여 우선권을 주장하며, 이 미국 출원은 참고로 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 전동 제어 시스템(electrically powered control system)을 통해 제어되는 송풍기(blower)를 갖거나 갖지 않는 가스, 오일 및 프로판 연소 난방 장비 및/또는 압축기(compressor)를 비롯한, 듀티 사이클 기반 전기 에너지 소비 장비(duty cycled, electrical energy-consuming equipment)를 자동으로 제어 및 최적화하기 위한 전자 제어기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전자 제어기를 포함하는 난방, 환기, 공조(air conditioning), 및 냉장 장비 시스템, 및 이러한 시스템에서 제어기를 사용하는 방법에 관한 것이다.
난방, 환기, 공조 및/또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning and/or refrigeration)("HVACR" 또는 "HVAC&R") 제어 시스템은 온도 조절 및 제습이라는 2가지 주요 기능을 수행하도록 설계되어 왔다. 이들 시스템에서 사용되는 압축기 및 송풍기는 전형적으로 전동 모터로 동작한다. 탄소 발자국(carbon footprint) 및 녹색 기술에 대한 관심의 증가로 보다 효율적인 냉매, 가변 속도 압축기 및 팬, 사이클 수정, 그리고 보다 효율적인 연소기를 비롯한, 수많은 에너지 관련 개선들에 이르게 되었다. 많은 시장들에서 전기 에너지 사용량 및 그의 비용이 증가함에 따라, 새로운 시스템은 물론 기존의 시스템에서 HVAC&R 장비를 보다 에너지 효율적으로 만들 필요가 있다.
서모스탯(thermostat)으로부터의 원격 센서들 또는 다른 센서들에 의존하지 않는 자동 제어를 제공할 수 있고 OEM(Original Equipment Manufacturer) 규격, 사전 설정치(presetting), 및/또는 설치자 판단보다 에너지 효율을 개선시킬 수 있는, 독창적인 및/또는 개량가능한 사용/수요 제어 및 에너지 관리 기술을, HVAC&R 시스템에서 사용되는 것들을 비롯한, 냉방/냉장 압축기 및/또는 난방/냉방 송풍기에 제공하면 바람직할 것이다.
본 발명의 특징은 서모스탯 제어 자체로 동작하는 것과 비교하여 개선된 방식으로 에너지 소비 및/또는 수요 소비(demand consumption)를 자동으로 관리하고 감소시키기 위해 서모스탯 제어를 갖는 HVAC&R 시스템에 추가 디바이스(add-on device)로서 사용될 수 있는 전자 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 부가 특징들 및 장점들이 일부는 이하의 설명에 기재될 것이고, 일부는 설명으로부터 명백할 것이거나, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 수 있다. 본 발명의 목적들 및 다른 장점들은 설명 및 첨부된 청구범위에 상세히 언급된 요소들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 것이다.
이들 및 다른 장점들을 달성하기 위해, 본 발명의 목적들에 따르면, 본 명세서에 구현되고 광의적으로 기술된 바와 같이, 본 발명은 난방, 환기, 공조 또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning or refrigeration, HVAC&R) 시스템의 자동 제어를 위한 전자 제어기 디바이스에 관한 것으로서, 전자 제어기 디바이스는 a) 적어도 하나의 서모스탯 신호 라인(thermostat signal line)을 접속(attaching)시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛(load unit)으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 제어기 디바이스는 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -, b) 부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동(conditioned space temperature variation)을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기(delayed start controller), 및 c) 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들(on times) 및 오프 시간들(off times)을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기(demand regulator controller)를 포함한다. 전자 제어기는 초과 시간 제어기(excess time controller) 및 초과 사이클 제어기(excess cycle controller) 중 적어도 하나를 옵션으로서 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 난방, 환기, 공조 또는 냉장(HVAC&R) 시스템에 관한 것으로서, HVAC&R 시스템은 난방, 환기, 공조 또는 냉장 유닛 및 HVAC&R 시스템의 서모스탯 제어 신호를 가로채기하고 그에 알고리즘을 적용하여 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 출력 제어 신호를 발생시키는 전술한 전자 제어기 디바이스를 포함한다.
본 발명은 또한 i) 서모스탯, ii) 전술한 전자 제어기 디바이스, 및 iii) 전력 공급 선로(power supply line)에 연결되어 동작할 수 있는 적어도 하나의 부하 유닛을 포함하는 HVAC&R 시스템의 자동 제어를 위한 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 HVAC&R 시스템에서 전기로 작동되는(powered by electricity) 적어도 하나의 부하 유닛의 에너지 사용 및/또는 부하 수요(load demand) 사용 및 동작을 자동으로 제어 및 관리하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 a) 부하 유닛에 대한 서모스탯과 부하 유닛에 대한 장비 부하 제어 스위치 사이의 제어 신호 라인에 전술한 제어기 디바이스를 전기적으로 연결(electrically connecting)시키는 단계, b) 제어기 디바이스에서 냉방, 냉장, 또는 난방에 대한 서모스탯으로부터의 적어도 하나의 서모스탯 명령을 가로채기하는 단계, c) 전자 제어기에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 알고리즘을 적용하여 조절된 제어 신호를 발생시키거나 OEM 신호를 출력 신호로서 허용하는 단계, d) 부하 유닛의 동작을 제어하기 위해 제어기 디바이스에 의해 발생된 출력 신호를 부하 유닛 스위치로 출력하는 단계, 및 e) 에너지 소비 절감 및/또는 수요 소비 절감을 추정하는 단계를 포함한다.
이상의 전반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 둘 다가 예시적이고 설명적인 것에 불과하고 청구된 본 발명에 대한 추가 설명을 제공하기 위한 것임을 잘 알 것이다.
본 출원에 포함되어 그의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 특징들의 일부를 예시하고, 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 포함하는 HVAC&R 시스템의 블록/개략도.
도 2는 본 발명의 일례에 따른, 도 1의 전자 제어기의 마이크로컨트롤러의 블록도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하여 HVAC&R 시스템의 동작을 자동으로 제어하는 프로세스의 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 초과 시간 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 5는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 지연 기동 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 6은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 수요 조절기 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 초과 사이클 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하여 장비 "지연 시간, 온 시간 및 오프 시간"을 제한하는 것에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 8c 및 도 8d는 본 발명의 일례에 따른, 도 3a 및 도 3b에 도시된 전자 제어기의 신호 발생기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리의 플로우차트.
도 8e는 본 발명의 일례에 따른, 도 3b, 도 8c 및 도 8d의 신호 발생기의 동작에 대한 채널 1 입력(u1) 및 채널 1 출력(y1) 시간 이력(time history)을 나타낸 플롯.
도 9는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 냉방 응용에 대한 전기 결선도(electrical connection diagram)로서, 여기서 이 구성은, 하나의 HVAC 냉각 디바이스(예컨대, 압축기)를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 10은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 냉방 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 2개의 HVAC 냉각 디바이스(예컨대, 2개의 압축기)를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 11은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 가스 난방 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 하나의 단일 스테이지 가스 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 12는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 가스 난방 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 듀얼 스테이지 가스 난방 디바이스를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 13은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 전기 난방 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 하나의 단일 스테이지 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 14는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 전기 난방 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 듀얼 스테이지 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 15는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 전기 난방 응용에서의 냉방에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 에어컨 압축기 및 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 16은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 가스 난방 응용에서의 냉방에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 에어컨 압축기 및 가스 난방 디바이스[강제 열풍식(forced hot air) 또는 순환수식(hydronic)]를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 17은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 전기 난방 응용에서의 히트 펌프에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 보조 전기 난방 디바이스에서의 히트 펌프 압축기를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면이다. "선택적인 외부 온도 스위치"가 유닛이 냉방 모드 또는 난방 모드에서 동작하고 있을 때를 감지하기 위해 증발기 배출(evaporator discharge)에 접속되어 있다.
도 18은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 보일러 응용에 대한 전기 결선도로서, 여기서 이 구성은, 하나의 단일 스테이지 보일러 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용되는 것으로 도시되어 있는 도면.
도 19는 OEM 제어기(서모스탯)를 사용한 경우와 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 냉방 응용에서 부하 디바이스의 시뮬레이트된 제어에 대해 일정 기간에 걸친(over a period time) 공조 공간(구역) 온도(°F)를 개별적으로 보여주는 플롯.
도 20은 OEM 제어기(서모스탯)를 사용한 경우와 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 대해 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대해 일정 기간에 걸친 수요 설정점(demand set point)에 관련한 에너지 소비를 나타내는 수요(%)를 개별적으로 보여주는 플롯.
도 21은 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 대해 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대한 제어기 오프 시간, 온 시간 및 지연 시간을 보여주는 플롯.
도 22는 OEM 제어기(서모스탯)를 사용한 경우와 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 대해 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대한 스케일링된 가동 시간 에너지 소비를 개별적으로 보여주는 플롯.
도 23은 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 대해 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대한 시간당 최대 허용 및 실제 장비 기동 횟수(maximum allowed and actual equipment starts per hour)를 보여주는 플롯.
도 24는 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 대해 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대한 에너지 절감을, 유사한 동작 기간에 대한 OEM 에너지 요구사항의 퍼센트(%)로서 보여주는 플롯.
본 발명은, 부분적으로, 듀티 사이클링(duty cycling)을 사용하여 제어되는 난방 장비, 냉방 장비, 및/또는 냉장 장비에 대한 사이클 지속 시간(cycle time duration) 및 듀티 사이클의 실행을 자동으로 그리고 최적으로 계산하고 제어할 수 있는 통합 프로그램들을 포함하는 개량가능한 제어기 추가 디바이스(controller add-on device)에 관한 것이다.
추가 디바이스는, 서모스탯 신호들이 HVAC&R 시스템의 의도된 부하 유닛에 도달하기 전에, 서모스탯 신호들을 가로채기할 수 있는, 하나 이상의 서모스탯 제어 신호 라인들에 직렬로 설치될 수 있는 전자 제어기를 포함한다. 전자 제어기는, 시스템에서의 부하 유닛의 보다 에너지 효율적인 동작을 제공하기 위해, 원래의 제어 신호를 대체(또는 허용)할 수 있는 부하 유닛에 대한 출력 신호를 발생시키기 위해 OEM 신호들 및 그의 거동에 알고리즘을 적용할 수 있다. 이 개선을 제공함에 있어서, 전자 제어기는 지연 기동(delayed start)(DS) 제어기 및 수요 조절기(demand regulator)(DR) 제어기, 그리고 선택적으로 초과 시간(excess time)(ET) 제어기 및/또는 초과 사이클(excess cycle)(EC) 제어기를 포함할 수 있다. 이들 제어기는 메모리에 저장되고 전자 제어기에 의해 구현되는 마이크로프로세서에서 실행가능한 한 세트의 컴퓨터 프로그램들로서 구현될 수 있다. 결합하여, 프로그램들은 신호 처리 알고리즘을 제공할 수 있다. 전자 제어기는 제어기 디바이스로부터의 제어 신호들을 부하 유닛으로 출력하는 신호 발생 기능을 포함한다. 전자 제어기는 기존의 HVAC&R 시스템에 용이하게 새로 설치(retrofit)되거나 새로운 HVAC&R 시스템에 포함될 수 있다. 전자 제어기는 설계된 대로 기능하기 위해 직접적인 센서 지원 또는 선로 전력(line power)을 필요로 하지 않는다.
전자 제어기에 포함된 지연 기동 제어기는 OEM ON 신호들을 부하 유닛에 도달하지 못하게 지연 또는 연기시킬 수 있다. 이것은 OEM 오프 시간에 인자(factor) 또는 승수(multiplier)를 적용하는 것에 의해 행해질 수 있다. 이 결과, 부하 유닛에 전원이 들어오기 전의 대기 기간이 더 길어진다. 이 조작이 공조 공간에서의 온도 프로파일(temperature profile)을 급격히 변경하는 일 없이 에너지 절감을 제공할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 전자 제어기는 수요 관리도 개선시킬 수 있다. 전자 제어기에 포함된 수요 조절기 제어기는 부하 유닛이 수요를 충족시키기 위해 계속하여 가동되는 것을 방지할 수 있다. 수요 조절기 제어기는 부하 유닛을 주기적으로 턴 오프시킬 수 있고, 이는 다시 설정점으로의 온도 조절을 제공하는 데 필요한 기간을 증가시키지만 필요한 전체 수요의 순 감소를 제공하는 경향이 있을 수 있다. 이것이 중요할 수 있는데, 그 이유는 전기의 비용이, 상업적 및 산업적 응용에서, 2가지 항목, 즉 (1) 총 kW 소비량 및 (2) 피크 kW 수요에 기초하기 때문이다. 총 kW 소비량은 (이상적으로는) 장비 가동 시간(equipment runtime)에 비례한다. 피크 kW 수요는 15 분 또는 30 분 구간 또는 윈도우에서의 kW 소비량의 최대 평균 값이다. 피크 kW 수요 값은 전기 요금이 어떻게 설정되는지를 결정하는 데 사용된다. kWh의 상이한 "체감 블록 요율(declining block rate)"로 전기 요금이 부과되고, 각각의 요율은 그와 연관된 kWh 비용(kWh cost)을 가진다. 첫 번째 블록(첫 번째로 채워지는 블록)이 가장 비싸고; 두 번째 블록(다음에 채워지는 블록)이 보다 저렴하며, 이하 마찬가지이다. 총 kW 소비량이 일정한 경우, 총 전기 비용은 피크 kW 수요 값에 의해 달라질 수 있고, 피크 kW 수요의 값이 작을수록, 비용이 낮다. 본 발명의 전자 제어기의 전술한 수요 제어 조절기는 피크 kW 수요의 값을 낮추기 위해 사용될 수 있다. 수요 조절기 제어기는, 피제어 부하 유닛에 적용가능한 경우, 공조 공간의 적절한 냉방 또는 난방을 여전히 제공하면서 최악의 경우의 수요를 감소시킬 수 있다.
전자 제어기가 연속 가동 상태에 있는 상황에서(즉, 이 상태에서는, OEM이 결코 턴오프되지 않음) 수요 설정점을 변경하기 위해, 초과 시간 제어기(선택적임)가 전자 제어기에 포함될 수 있다. 이러한 일이 일어날 때, 온도 설정점이 충족되고 있지 않은 것으로 가정되고, 따라서 OEM 제어가 사이클링할 때까지 수요 설정점이 증가된다. 수요 설정점이 그의 최대치로 증가되고 OEM이 여전히 사이클링하지 않은 경우, 수요 설정점이 1.0으로 설정되는데, 이는 사실상 제어기를 무시하고 제어를 OEM으로 넘긴다. 제어기 출력 신호 ON 및 OFF 시간을 조절하는 것에 의해 최대치를 초과하지 않도록 시간당 장비 기동 횟수(number of equipment starts per hour)를 제어하기 위해 초과 사이클(EC) 제어기(선택적임)가 전자 제어기에 포함될 수 있다.
도 1은 전술한 지연 기동 제어기 프로그램, 수요 조절기 제어기 프로그램, 초과 시간 제어기 프로그램, 및 초과 사이클 제어기 프로그램이 존재할 수 있고 신호 처리 및 발생을 위해 그 프로그램들이 실행될 수 있는 전자 제어기(18)를 포함하는 HVAC&R 시스템(11)을 나타낸 것이다. 구역(2)에서의 상태 제어(condition control)를 제공하는 적어도 하나의 HVAC&R 부하 유닛(20)의 제어를 제공하기 위해 전자 제어기(18)가 시스템(11)에 새로 설치될 수 있다. 전력 선로(10)가 제어될 적어도 하나의 부하 유닛(20)이 위치해 있는 구조물에 있는 전기 계량기(utility meter)(12)를 통해 지나간다. 계량기(12)는 그 위치에서의 전기 에너지의 사용량 및 수요를 측정한다. 부하 유닛(20)은, 예를 들어, 에어컨, 히트 펌프, 난로, 냉장고, 보일러, 또는 HVAC&R 시스템의 다른 부하 유닛일 수 있다. 동작되는 주 전력 선로(main power line)(10)는 일반적으로 무조건적(unconditioned)이고, 릴레이와 같은 부하 제어 스위치(26)를 통해 부하 유닛(20)에 그리고 전형적으로 동일한 구조물에 있는 다른 부하 유닛들 및 기기들(도시 생략)에 동작 전력(operative power)을 공급한다. 전력 공급 선로(10)는 제어기(18)가 새로 설치될 HVAC&R 시스템(11)에 전력을 공급하는, 예를 들어, 110 VAC(volts alternating current), 220 VAC, 또는 다른 주 전력 공급 선로(mains power supply line)일 수 있다. 새로 설치될 시스템(11)은 HVAC&R 부하 유닛(20)에 연결되는 적어도 하나의 표준 서모스탯(14)을 가진다. 서모스탯(14)은 라인(13)을 통해 전력 선로(10)에 연결될 수 있다. 이 예시를 간략화하기 위해, 전력 선로(10)로부터 서모스탯에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있는, 24 볼트 변압기와 같은 스텝-다운 변압기(step-down transformer)가 동 도면에 예시되어 있지 않지만, 도 9 내지 도 18에 도시된 배선도(wiring diagram)에는 예시되어 있다. 전자 제어기(18)는 전력 선로(10)로부터 직접 전력을 공급받지 않으며, 그럴 필요가 없다. 전자 제어기(18)는 부하 디바이스(들)에 대해 의도된 서모스탯 시그널링(thermostat signaling)에 의해 전력을 공급받는다. 전자 제어기(18)는 전형적으로 서모스탯으로부터의 ON 신호를 수신/가로채기할 때까지 그의 신호 처리 기능과 관련하여 전기적으로 휴면(또는 비활성) 상태이거나 슬립(sleep) 상태이고, 이어서 제어기(18)는 신호 제어 처리 및 제어 신호 발생을 위한 본 명세서에서 설명된 것과 같은 알고리즘의 일부로서 한 세트의 프로그램들을 의도된 부하 디바이스(들)에 적용하기 위해 깨어나게(활성으로) 된다.
하나의 전형적인 상황에서, 서모스탯(14)의 제어 신호 라인(15)은, 서모스탯 제어가, 예를 들어, 공조 유닛(부하 유닛)으로부터의 냉방 또는 전기 난로로부터의 난방 등을 요구하고 있는 기간 동안, 24 볼트의 AC 전압을 전송할 수 있다. 제어 신호는 보통 부하 유닛(20)에 전력을 공급하기 위해 주 전력 선로(10)에 있는 부하 제어 스위치(26)를 작동시킬 것이다. 즉, 전자 제어기(18)가 없는 경우, 제어 신호 라인(15)은 부하 유닛 제어 스위치(26)를 열거나 닫는 제어를 하고 있을 것이고, 그에 의해 동작 중인 전력 선로(10)의 회로를 열거나 닫고, 부하 유닛(20)으로의 동작 전력의 흐름을 제어할 것이다. 전자 제어기(18)는 서모스탯(14)과 부하 유닛 제어 스위치(26) 사이의 어떤 지점에 삽입되어 직렬로 서모스탯 제어 신호 라인(15)에 설치된다. 도시된 바와 같이, 서모스탯 라인(15)이 절단되고, 한쪽 절단 단부에서 전자 제어기(18)에 연결될 수 있다. 또한 도시된 바와 같이, 절단된 신호 제어 라인의 나머지 부분[라인(24)으로서 참조됨]은 한쪽 단부에서 전자 제어기(18)에 연결되고, 다른 쪽 단부에서 부하 제어 스위치(26)에 연결될 수 있다.
전자 제어기(18)는, 예를 들어, 부하 유닛(20)의 근방에 있는 시트 금속(도시 생략)(부하 유닛에 사용되는 표준의 시트 금속 구조 인클로저 등)에 물리적으로 탑재될 수 있다. 바람직하게는, 이와 같이 제어기(18)를 제어 신호 라인(15)(24)에 탭핑(tapping)시키는 것이, 실제로 실현 가능한 한, 부하 제어 스위치(26)에 가까운 곳에서 행해진다. 보통, 부하 유닛 자체의 물리적 경계(physical confines) 내에서 연결을 하는 것이 가능할 수 있다. 전자 제어기(18)를 제어 신호 라인에 연결하는 것은, 예를 들어, 주거용 공조 유닛의 압축기 유닛이 들어 있는 케이스 내에서 행해질 수 있을 것이다. 예를 들어, 전자 제어기(18)가 공조 유닛이 지원하는 집 또는 건물에 바로 인접한 지상 근처의 슬라브 또는 플랫폼 상에 또는 그의 지붕에 설치된 공조 유닛의 압축기에 대한 OEM 컨트롤들을 하우징(house)하고 있는 시트 금속 인클로저에 탑재될 수 있을 것이다. 전자 제어기(18)는 온보드 사용자 인터페이스 컨트롤들(19)을 포함할 수 있고 그리고/또는 원격 입력 디바이스(21)로부터 제어 입력들 및/또는 파라미터 데이터(23)를 수신할 수 있으며, 이는 이하에서 기술될 다른 설명들에 의해 더 잘 이해될 수 있다. 입력 디바이스(21)는, 전자 제어기(18)로부터 물리적으로 떨어져 있는 디바이스(연결 가능/분리 가능 통신선 또는 케이블 링크 또는 무선 통신 링크 등을 통해, 제어기와 통신할 수 있음)라는 의미에서, "원격"일 수 있다.
동작을 설명하면, 전자 제어기(18)는 부하 유닛(20)에 전원을 넣도록 의도된 서모스탯 제어 신호에 기초하여 제어 신호 라인(15)을 통해 전기 흐름을 수신하고, 전자 제어기(18)는 서모스탯 신호를 가로채기하기 위해 즉각 깨어나고, 출력 제어 신호가 전자 제어기(18)로부터 부하 유닛 스위치(26)로 송신되기 전에, 그의 한 세트의 제어 프로그램들을 개시할 수 있다. 전술한 바와 같이, 출력 제어 신호는, 제어기의 알고리즘을 실행한 결과에 따라, OEM 신호에 대한 대체 신호 또는 OEM 신호일 수 있다.
서모스탯(14)은 바람직하게는 ON/OFF 신호만을 발생시키도록 (사전) 구성되어 있고, 그 ON/OFF 신호에 의해 에어컨/히트 펌프 압축기, 난로, 또는 다른 부하 유닛이 턴온/오프된다. 바람직하게는, 시스템(11)에서 사용되는 서모스탯(14)은 부하 유닛을 완전히 턴온시키거나 완전히 턴오프시키기 위해 부하 유닛에서의 ON/OFF 제어를 제공하도록 설계되어 있다. 서모스탯이 ON/OFF 제어 디바이스일 때, 서모스탯은 출력이 턴온되거나, 턴오프되거나, 그의 현재 상태로 유지될 필요가 있는지를 결정할 수 있다. OEM 서모스탯에 의한 ON/OFF 제어는 전형적으로 설정점을 선택하는 것을 포함하고, 설정점에 걸쳐 있는 고유(native) 또는 기본(default) OEM 불감대(deadband)가 적용될 수 있거나 사용자에 의해 선택될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 발명의 제어기의 특징들 중 하나는 에너지 효율을 증대시키기 위해 불감대 유형 제어(deadband type control)를 조절하고 최적화할 수 있는 능력에 관한 것이다. 가변 속도 제어를 제공하는 서모스탯은 전자 제어기와 결합하여 사용하는 데는 덜 바람직하다.
전자 제어기(18)는 설계된 대로 동작 및 기능하기 위해 전용 온도 센서로부터의 직접적인 입력을 필요로 하지 않는다. 본 발명의 시스템들은 그 유닛(들)에 의한 처리를 위해 이러한 정보를 서모스탯(들)으로 전송할 수 있는 원격 센서(들)를 포함하는 시스템 또는 시스템들에서의 기존의 서모스탯 또는 서모스탯들의 온도 감지 기능에 의존할 수 있다. 온도 센서가, 서모스탯으로부터 원격지에 있든 서모스탯에 포함된 감지 구성요소이든 간에, 제어기를 사용하는 HVAC&R 시스템에서는 전혀 사용될 필요가 없다. 온도 신호가 설정점 및 히스테리시스 온도값들에 대한 기존의 ASHRAE 또는 유사한 데이터 및 OEM 제어 신호 타이밍으로부터 추정될 수 있다.
도 1이, 간략함을 위해, 단일의 제어 라인(15)이 단일의 서모스탯(14)으로부터 절단되어 연결되고 전자 제어기(18)에 연결되는 것으로 도시하고 있지만, 도 10, 도 12, 및 도 14 내지 도 17에 도시된 것과 같은, 단일 또는 듀얼 서모스탯 구성에서, 단일의 서모스탯으로부터의 다수의 제어 라인들(예컨대, 도 10, 도 12, 도 14) 또는 다수의 서모스탯들 각각으로부터의 단일의 제어 라인(예컨대, 도 15 내지 도 17) 각각이 절단되어 전자 제어기(18)(전자 제어기의 상이한 각자의 입력 핀 등)에 개별적으로 연결될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 전자 제어기(18)가, 도 10, 도 12, 및 도 14 내지 도 17에 도시된 것과 같은, 두 개 이상의 부하 디바이스를 제어하는 경우, 출력 신호 제어 라인은 한쪽 단부에서 전자 제어기(18)에 그리고 다른 쪽 단부에서 각각의 부하 디바이스의 부하 제어 스위치들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 간략함을 위해, 도 1의 HVAC&R 시스템(11)에는 단일의 제어 신호 라인에 전자 제어기(18)의 부하 제어 및 관리 하에 있는 단지 하나의 부하 유닛(20)만이 도시되어 있지만, HVAC&R 시스템(11)은, 예를 들어, 구성에 따라, 다수의 압축기들, 또는 압축기 유닛 및 송풍기, 그리고 다른 유사하거나 상이한 부하들과 같은, 서모스탯 제어 하에 있는 다수의 개별 부하들을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 전자 제어기가 장비의 개별 하위 부하(subload)들의 제어 라인들에 전체적으로 연결될 수 있다. 환언하면, 에어컨이 압축기 유닛 및 송풍기 유닛의 하위 부하들에 대한 개별적인 제어 라인을 가질 수 있다. 전자 제어기는 이들 하위 부하 중 하나 또는 둘 다를 제어하는 데 사용될 수 있다. 공조 유닛의 하위 부하들 전부로의 전체적인 전력 선로는 일반적으로 본 발명의 전자 제어기에 의해 결코 변경되지 않는다. 게다가, 종래의 통상적인 전기적 접지 수단이 도 1의 개략도에 도시되어 있지 않은데, 왜냐하면 본 발명에 특별히 중요한 것이 아니기 때문이다.
도 1의 전자 제어기(18)는, 예를 들어, 독립형 구성으로 또는 네트워크화된 구성으로 구현될 수 있다. 독립형 구성은, 예를 들어, 단일 부하 유닛 주거 응용[예컨대, 약 5 톤(ton) 미만의 HVAC&R 부하 유닛]에서 사용될 수 있다. 네트워크화된 구성은, 예를 들어, 보다 높은 에너지 사용/수요의 주거용, 상업용 또는 산업용 건물 또는 장비 등과 같은 보다 대규모의 응용에서 HVAC&R를 제공하기 위한 건물 관리 시스템(building management system)(BMS)의 일부로서, 또는 각각이 전용 부하 유닛에 연결된 전자 제어기들의 네트워크로서 사용될 수 있다.
도 1의 전자 제어기(18)는 서모스탯 입력 신호들을 수신하고, 전술한 프로그램들을 수신된 서모스탯 신호들에 적용하며, 마이크로컨트롤러의 명령 하에서 출력 신호를 제어될 HVAC&R 부하 유닛으로 전송하는 동작을 할 수 있는 적어도 하나의 마이크로프로세서를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러(183)(도 1에서의 18)는, 예를 들어, 전술한 지연 기동 제어기 프로그램, 수요 조절기 제어기 프로그램, 초과 시간 제어기 프로그램, 및 초과 사이클 제어기 프로그램을 저장하고 실행하는 것은 물론, 데이터 수집 기능을 수행하고, 부하 디바이스(들)에 대한 신호 발생을 제어하며, 에너지 절감 및/또는 수요 절감을 계산하기 위한 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러(183)는 마이크로프로세서(1832), 메모리(1835)를 포함하는 것으로 도시된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(1833), 및 클럭(1834) - 이들 모두가 동일한 칩에 통합되어 있음 - 을 포함할 수 있다. CPU(central processing unit)라고도 알려져 있는 마이크로프로세서(1832)는 본 명세서에 기술된 제어기 기능들을 지원하기 위해 계산 능력을 제공하는 데 필요한 산술, 논리, 및 제어 회로를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(1833)의 메모리(1835)는 비휘발성 메모리, 휘발성 메모리, 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(1833)는 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 사용 가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리는, 예를 들어, ROM(read-only memory), 또는 다른 영구 저장소를 포함할 수 있다. 휘발성 메모리는, 예를 들어, RAM(random access memory), 버퍼, 캐시 메모리, 네트워크 회로, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(183)의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(1833)는 내장된 ROM 및 RAM을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 도 4와 관련하여 논의되는 바와 같이, 마이크로컨트롤러에 대한 판독/기입 확장(플래시) 메모리가 또한 제공될 수 있다. 프로그래밍 및 데이터는 메모리(1835)를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(1833)에 저장될 수 있다. 프로그램 메모리가, 예를 들어, 전술한 지연 기동 제어기 프로그램(1836), 수요 조절기 제어기 프로그램(1837), 초과 시간 제어기 프로그램(1831), 및 초과 사이클 제어기 프로그램(1839)을 위해 제공될 수 있는 것은 물론, 제어기(18)를 제어하기 위한, 메뉴, 본 명세서에서 전술한 것과 같은 조작 명령어 및 다른 프로그래밍, 파라미터 값 등을 저장할 수 있다. 이들 프로그램은 ROM 또는 다른 메모리에 저장될 수 있다. 결합하여, 전술한 지연 기동 제어기 프로그램(1836), 수요 조절기 제어기 프로그램(1837), 초과 시간 제어기 프로그램(1831), 및 초과 사이클 제어기 프로그램(1839)은 제어기(18)에 존재하는 통합 제어 프로그램(1838)을 제공한다. 플래시 메모리와 같은 데이터 메모리가 데이터 파라미터들로 구성될 수 있다. 서모스탯 명령 온 시간 및 계산된 오프 시간과 같은, 제어될 부하 디바이스의 동작에 관련되어 있는 획득된 데이터를 저장하기 위해 메모리가 사용될 수 있다. 클럭(1834)은 OFF 상태 동안 제어기의 마이크로프로세서 기능들에 의해 전원이 꺼지지 않는 실시간 클럭일 수 있다. 클럭(1834)은 "ON" 상태의 시작 또는 종료를 기록하기 위해 사용될 수 있는 타이밍 디바이스를 제공한다. 전자 제어기(18)는 "ON" 상태 및 그의 지속 시간을 기록하고 "OFF" 시간을 계산하는 것에 의해 서모스탯 OEM 제어 거동을 학습할 수 있다. 제어기의 신호 처리 기능들이 전형적으로 서모스탯 신호들에 기초하여 듀티 사이클의 "OFF" 상태 동안 동작하지 않기 때문에, "OFF" 상태의 지속 시간은 제어기의 전원이 꺼질 때가 서모스탯 제어에 기초한 듀티 사이클의 OFF 상태와 일치할 것이기 때문에 제어기의 전원이 꺼지는 시간을 기록하는 것, 및 다음에 서모스탯에 의해 송신되는, 부하 유닛에 대해 의도된 그 다음의 연속적인 전원 ON 신호를 가로채기할 때 OEM의 전원이 다시 켜지는 시간을 기록하는 것, 및 그 "OFF 시간"의 지속기간에 대응하는 이들 2개의 기록된 시간 사이의 차를 계산하는 것에 의해 계산될 수 있다. 이 데이터는 마이크로프로세서의 비휘발성 플래시 메모리 또는 다른 메모리에 저장될 수 있다. 전술한 바와 같이, 클럭(1834)은, 예를 들어, 실시간 디지털 클럭일 수 있다. 클럭(1834)은 배터리(예컨대, 리튬 디스크 배터리 등)로 전력 공급될 수 있다. 마이크로프로세서(1832), 메모리(1833), 및 클럭(1834) 모두는 도 9 내지 도 18과 관련하여 추가로 논의되는, 입력 및 출력 연결 단자 핀들, 통신 링크/인터페이스 커넥터 포트(들)(예컨대, 대응하는 크기의 USB 플러그를 받아들이기 위한 미니, 또는 마이크로 또는 표준 크기의 USB 포트) 등을 가지는, 인클로저(도시 생략)에 하우징될 수 있는 공통의 마더 보드(1830) 등에 통합되어 지지될 수 있다.
마이크로컨트롤러(183)는, 예를 들어, 전술한 마이크로프로세서 구성요소, 메모리 구성요소, 및 클럭 구성요소를 포함하는 8 비트 또는 16 비트 또는 그 이상의 마이크로칩 마이크로프로세서일 수 있고, 전술한 지연 기동 제어기 프로그램, 수요 조절기 제어기 프로그램, 초과 시간 제어기 프로그램, 및 초과 사이클 제어기 프로그램의 입력 및 실행을 위한 동작을 할 수 있다. 원하는 제어를 제공하기 위해 본 명세서에서 전술한 제어 프로그램들이 입력될 수 있는 프로그램 가능 마이크로컨트롤러는 상업적으로 입수될 수 있다. 이와 관련하여 적당한 마이크로컨트롤러는 미국 아리조나주 챈들러 소재의 Microchip Technology Inc.와 같은 상업적 판매자들로부터 입수 가능한 것들을 포함한다. 이와 관련하여 상업적으로 입수 가능한 마이크로컨트롤러의 예는, 예를 들어, Microchip Technology, Inc.의 PIC16F87X, PIC16F877, PIC16F877A, PIC16F887, dsPIC30F4012, 및 PIC32MX795F512L-801/PT; Analog Devices ADSP 시리즈; Jennic JN 계열; National Semiconductor COP8 계열; Freescale 68000 계열; Maxim MAXQ 시리즈; Texas Instruments MSP 430 시리즈; 및 Intel에 의해 제조된 8051 계열 등을 포함한다. 부가의 가능한 디바이스들은 FPGA/ARM 및 ASIC을 포함한다. 본 명세서에서 전술한 지연 기동 제어기 프로그램, 수요 조절기 제어기 프로그램, 초과 시간 제어기 프로그램, 및 초과 사이클 제어기 프로그램은 Microchip Technology Inc.로부터의 MPLABX 통합 개발 환경과 같은 업계 개발 도구들을 사용하여 각자의 마이크로컨트롤러에 입력될 수 있다.
제어기(18)가 도 1에서 제어될 부하 유닛으로의 서모스탯 신호 라인(15)(24)에 탭핑되는 독립형 유닛으로 예시되어 있지만, 제어기의 전술한 마이크로 전자회로(microelectronics)들이 선택적으로 서모스탯 유닛 또는 BMS(Building Management System)에 포함되어 통합될 수 있다. 전자 디바이스의 지연 기동 제어기, 수요 조절기 제어기, 초과 시간 제어기, 초과 사이클 제어기, 및 다른 전술한 제어 프로그램들 및 특징들을 포함하는 알고리즘이 서모스탯의 고유 서모스탯 신호 제어 소프트웨어에 추가될 수 있거나, BMS(Building Management System) 소프트웨어에 추가될 수 있어(이 경우 BMS는 HVAC&R의 부하 유닛 또는 유닛들에 대한 제어를 제공함), 물리적으로 별개인 전자 제어기 디바이스가 필요하지 않게 된다. 서모스탯/전자 제어기 겸용 구성에서, 제어기 마이크로 전자회로에 의한 OEM 서모스탯 신호의 가로채기 및 그의 처리는, 물리적으로 별개인 마이크로전자 제어기가 서모스탯과 제어될 부하 유닛 사이의 서모스탯 신호 라인(15)(24)에 탭핑될 필요 없이, 수정된 서모스탯 유닛에서 일어날 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 HVAC&R 시스템의 동작을 자동으로 제어하기 위해 본 발명의 전자 제어기(100)를 사용하기 위한 프로세스 제어 논리(100)를 나타낸 것이다. (1) 4 개의 제어기, (2) 한계 모듈(limits module), 및 (3) 제어 신호 발생기, 그리고 도 3 내지 도 8에 나타낸 다른 특징들이 제어기 내에 존재하고 있다. 전술한 바와 같이, 제어기는 OEM 서모스탯 신호들이 HVAC&R 시스템 내의 의도된 부하 유닛(들)에 직접 도달하지 못하게 하고, 그 신호들을 가로채기하여 학습하고 처리하여 의도된 부하 유닛(들)에 대한 최적화된 출력 신호들로 만든다. 신호 획득은 시간 기반이다. 전술한 바와 같이, OEM ON 및 OFF 시간이 전자 제어기에 의해 결정될 수 있다. 전자 제어기는 부하 유닛(들)으로 출력되는 제어 신호들과 관련한 지연 시간, 온 시간, 및 오프 시간인, 시간 출력들의 삼중항(triplet) 또는 삼원쌍(triad)을 계산하는 알고리즘을 구현한다. 이 신호들은 도 3b의 "신호 발생기" 블록에서 시간 이력 신호(time-history signal)로 변환될 수 있다. 출력 신호들은 도 3b에 도시된 출력 y1 및 y2을 위해 사용되는 것과 같은, 0 또는 1의 값을 가지는 이진 출력으로서 저장되고 처리될 수 있다.
전자 제어기에의 판독 가능 입력은 이하의 것들을 포함한다: 1) OEM 입력(105): OEM 채널 1(ch1)(u1: 압축기 또는 히터), OEM 채널 2(ch2)(u2; 송풍기 또는 압축기2 또는 히터2), 및 BMS(building management system)와의 가능한 통합을 위한 드라이 접점(dry contact)(모두가 1/0 = On/Off임); 2) 계산된 값(106): FPF1 및 FPF2[OEM ch1 및 OEM ch2에 대한 제1 통과 플래그(first pass flag), ch1-tOffOEM 및 ch2-tOffOEM(OEM ch1 및 ch2 OFF 시간); 및 3) 파라미터(107): 서비스 도구 등으로부터 제어기에 입력되고 메모리(예컨대, 플래시 메모리)에 저장되는 구성 파라미터. 입력 채널 1(u1) 값 및 채널 2(u2) 값은 시스템 내의 2개의 상이한 부하 유닛에 대한 판독된 OEM 입력에 대응할 수 있다. 단일의 부하 유닛에 대해 제공되는 서모스탯 제어를 갖는 시스템에서, 채널 1 또는 채널 2 중 하나에 대한 OEM 입력이 사용될 수 있다. 계산된 값(106)의 경우, OEM ch1 및 ch2 OFF 시간은 전자 제어기가 처음으로 활성화될 때 0으로 초기화되고 나서, 그 후에는 만나게 되는 OEM 듀티 사이클 이력에 기초하여 계산될 수 있다. 전자 제어기는 그의 파라미터 설정치(107)를 통해 압축기, 난로, 보일러, 또는 다른 HVAC&R 부하 유닛들을 제어하도록 구성될 수 있다.
전자 제어기(100)는 지연 기동 제어기(101), 수요 조절기 제어기(102), 초과 시간 제어기(103), 및 초과 사이클 제어기(104)를 구현할 수 있다. 이 프로그램들은, 전자 제어기의 조립 동안 또는 사용 이전의 어떤 다른 때에, 전자 제어기 내의 메모리(ROM 등)에 로드될 수 있다. 수요 조절기 제어기(102) 및 초과 시간 제어기는 비선택적이고, 지연 기동 제어기(101) 및 초과 사이클 제어기(104)는 선택적일 수 있다. 이 제어기들의 구현 시퀀스가 있다. 지연 기동 제어기(101)(사용되는 경우)가 맨 먼저 구현되고, 이어서 수요 조절기 제어기(102) 및 초과 시간 제어기가 병렬로 구현되지만, S→V 박스(112)에서의 처리를 위해 출력을 결합시킨다. 이 다음에, 초과 사이클 제어기(104)(포함되는 경우), 그리고 한계 모듈(108), 그리고 마지막으로 신호 발생기(109)가 온다. 제어기의 출력은 1) 각각 압축기 또는 히터, 및 송풍기에 대한 y1 및 y2(ch1 및 ch2 출력; 1/0 = On/Off), 및 2) 4 개의 LED 신호이다. 출력 y1은 압축기 또는 히터에 대한 채널 1 제어 신호에 대응하고, 출력 y2는 송풍기에 대한 채널 2 출력에 대응한다. 기입 출력(write output) 및 기입 LED(write LED)는 110 및 111에 나타내어져 있다. 알고리즘은 제어기가 깨어 있는 기간 동안, 초당 1회(x)(one times (x) a second)(예를 들어, 2x/초, 3x/초, 4x/초, 또는 5x/초 또는 다른 속도)의 규칙적인 간격으로 실행될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 전자 제어기의 선택적으로 사용가능한 초과 시간 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리(120A, 120B, 및 120C)의 플로우차트이다. 제어 논리(120A 및 120B)는 도 4a에 도시되어 있고, 제어 논리(120C)는 도 4c에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 도 4a에 도시된 프로세스 제어 논리(120B)에 의해 발생된 "Ontime" 값 및 제어 논리(120A)에서의 언로드(unload)된 파라미터가 도 4a에 도시된 제어 논리로부터 계속되는 도 4b에 도시된 프로세스 흐름 논리(120C)에서 입력으로서 사용된다. 초과 시간(ET) 제어기는, 제어기가 연속 가동 상태에 있는 상황에서(이 상태에서, OEM이 결코 턴오프되지 않음), DemandSetpoint를 변경할 수 있다. 이러한 일이 일어날 때, 온도 설정점이 충족되고 있지 않은 것으로 가정되고, 따라서 OEM 제어가 사이클링할 때까지 DemandSetpoint가 증가된다. DemandSetpoint이 그의 최대치로 증가되고 OEM이 여전히 사이클링하지 않은 경우, DemandSetpoint는 1.0에 유지되고, 이는 사실상 제어기를 무시하고 OEM이 제어할 수 있게 한다. 이 기능은 이하의 3 개의 파라미터를 가진다: WaitTime = 초기 런-온 시간(initial run-on time)(이 시간 동안 아무런 동작도 취해지지 않음), 그리고 HorizonTime 및 MaxDemand: "WaitTime" 초 후에, OEM이 사이클링하지 않은 경우, DemandSetpoint는 그의 초기 설정점 값 "DemandSetpoint1"으로부터 값 (WaitTime 이후의 시간)*(MaxDemand - DemandSetpoint1)/(HorizonTime - WaitTime)만큼씩 선형적으로 증가된다. 이 제어기는, OEM이 사이클링하지 않는 경우, DemandSetpoint를 1까지 선형적으로 증가시킬 수 있고, 다음 OEM 사이클이 일어날 때까지 DemandSetpoint = 1로 설정한다.
도 5는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 지연 기동 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리(130A 및 130B)의 플로우차트이다. 도시된 바와 같이, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 프로세스 제어 논리(130A)의 "Factor Setpoint" 값 및 "NativeTimeDelay" 값이 도 5에 도시된 프로세스 흐름 논리(130B)에서 입력으로서 사용된다. 지연 기동(DS) 제어기는 지연 시간(tDelayPace)을 계산한다. 예를 들어, 대부분의 OEM 서모스탯은 그의 설정점으로부터 화씨 +/- 1 도(°F) 내로 제어할 것이고, 이것은 그의 불감대(Tdb)가 화씨 2 도라는 것을 의미한다. OEM 서모스탯 설정점이 70 °F로 설정되는 경우, 구역 온도는 69 °F부터 71 °F까지의 범위에 있을 것이다. Tdb = 2 °F(설정점 = 70 °F인 경우)인 경우, OEM은 구역 온도를 69 °F로부터 71 °F로 제어할 것이다. Factor Setpoint가 1.75로 설정되는 경우, 페이스(pace)는 불감대 = 1.75*2 = 69 °F부터 72.5 °F까지의 3.5 °F로 제어할 것이다. 2 °F 불감대를 횡단(traverse)하는 데 필요한 시간은 "tOffZone"(구역의 OFF 시간)으로서 측정된다. 불감대가 dT1로서 정의되고 Off 시간이 t1로서 정의되는 경우, (근사적으로) dT1/t1 = 상수로서 쓰여질 수 있다. 오프 시간 값이 두배가 되어 t2 = 2*t1로 되는 경우, 비가 상수 = dT2/t2 = dT1/t1 로 유지되기 위해, 불감대가 또한 대략 두배(dT2=2*dT1)로 될 것이다. Factor는 dT2/dT1 = Factor = t2/t1(Factor*t1 = t2로서 쓰여질 수 있음)로서 또는 양변으로부터 t1을 빼서, Factor*t1 - t1 = t2 - t1으로서 정의된다. 값 t2-t1은 "tDelayPace"로서 정의되는 부가의 시간 지연이고, 다음과 같이 구해진다: tDelayPace = t1 *(Factor - 1). 도 5에서 전술한 Native Time Delay는 난방 또는 냉방에 대한 전자적 요구와 장비의 사이클이 시작(cycle on)될 때 사이의 시간 지연이다. 이는 때때로 OEM 제어에 존재한다. 기존의 시스템에 대한 Native Time Delay를 알지 못하는 경우, 이는 서모스탯이 온으로 될 때부터 부하 유닛이 턴온될 때까지의 시간을 측정하는 것에 의해 또는 추정치를 사용하여 초기화하고 필요에 따라 값을 조절하는 것에 의해 결정될 수 있다.
지연 기동 제어기에 의해 계산된 tDelayPace 값이 또한 송풍기를 제어하는 데 사용될 수 있다. 압축기가 처음으로 턴온되고 서모스탯이 그를 턴오프시킬 때까지 온인 채로 있을 때 송풍기 제어가 턴온될 수 있다. 이 방법은 OEM 제어기 사이클 동안 송풍기의 원하지 않는 사이클링을 방지하지만, 초기 지연을 절감 메커니즘으로서 이용한다.
도 6은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 수요 조절기 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리(140A 및 140B)의 플로우차트이다. 도시된 바와 같이, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 프로세스 제어 논리(140A)에 의해 발생된 "Demand Setpoint" 값, "ShortCycleTime" 값, 및 "CompressorConsumption fraction" 값이 도 6에 도시된 프로세스 흐름 논리(140B)에서 입력으로서 사용된다. 수요 조절기 제어기는 Demand Setpoint를 얻기 위해 제어기 출력 "온" 시간 값 "tOnPace value"를 계산할 수 있다. 수요 조절기(DR) 제어기는 듀티 사이클(Demand Setpoint) 및 제어기 OFF 시간(tOffPace = ShortCycleTime)이 주어진 경우 이하의 식을 tOnPace에 대해 푸는 것에 의해 제어기 출력 ON 시간을 계산한다:
Demand Setpoint = (tonPace/(tOnPace + tOffPace))*CompressorConsumption, fraction + 1 - CompressorConsumption, fraction). 송풍기 소비(blower consumption)는 (1 - CompressorConsumption, fraction)로서 정의된다. 가장 오른쪽 항은 송풍기가 이 계산에 대해 상시 ON(ON full time)인 것으로 가정한다[따라서, (1 - CompressorConsumption, fraction)이 존재함]. 이 기능은 또한 tOnPace가 Demand Setpoint를 송풍기 소비 분율(consumption fraction)(1 - CompressorConsumption, fraction) 미만으로 되게 할 값보다 아래로 떨어질 수 있게 하지 않을 것이다. 이러한 일이 일어나는 경우, tOnPace는 압축기를 사실상 턴오프시키는 0으로 설정된다.
전술한 바와 같이, 수요 조절기(DR) 제어기는 원하는 전기 수요가 달성될 수 있도록 부하 유닛으로 송신되는 제어기 출력 "온" 시간(tOnPace) 및 "오프" 시간(tOffPace)을 조절할 수 있다. 이론적으로는, 전기 수요가 전형적으로 15 분 구간 동안 총 "온" 시간으로서 계산된다. DR 제어기는 페이스(Pace) 제어기가 15 분 구간 전체 동안 계속하여 사이클링하는 조건인 "최악의 경우의" 수요를 추정할 수 있다. 최악의 경우의 수요는 부하가 증가함에 따라 더 정확하게 되고 보다 낮은 부하에서는 덜 정확하지만, DR 제어기는 항상 실제의 수요보다 더 큰 최악의 경우의 수요를 추정한다. DR 제어기는 tOffPace 값을 짧은 사이클 시간(예컨대, 전형적으로 3 내지 4 분)으로 고정시키고, 원하는 수요를 충족시키기 위해 tOnPace를 조절할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기의 선택적으로 사용 가능한 초과 사이클 제어기의 동작에 대한 프로세스 제어 논리(150A, 150B, 및 150C)의 플로우차트이다. 제어 논리(150A 및 150B)는 도 7a에 도시되어 있고, 제어 논리(150C)는 도 7b에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 프로세스 제어 논리(150A)의 "EquipmentStartsPerHourMAX" 값은 프로세스 제어 논리(150B)에서 사용되고, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 프로세스 제어 논리(150B)에 의해 발생된 "tOnpace" 값 및 프로세스 제어 논리(150A)에 의해 발생된 "DemandSetpoint" 값 및 "CompressorConsumption Factor" 값이 도 7a에 도시된 제어 논리로부터 계속되는 도 7b에 도시된 프로세스 흐름 논리(150C)에서 입력으로서 사용된다. 초과 사이클 제어기는 시간당 장비 기동 횟수 최대치(MAX)를 충족시키기 위해 tOnPace를 증가시킬 수 있다. 초과 사이클(EC) 제어기는 tOnPace 및 tOffPace를 조절하는 것에 의해 최대치(MAX) 값을 초과하지 않도록 시간당 장비 기동 횟수를 제어한다. 먼저, 초과 사이클 제어기는 시간당 장비 기동 횟수가 MAX를 초과하는지를 판정한다. 그러한 경우, 실제의 시간당 장비 기동 횟수(Actual Equipment Starts per Hour)가 MAX 값 미만일 때까지 tOnPace가 증가된다. tOnPace의 증가 후에, Demand Setpoint가 여전히 달성되고 있지 않은 경우, DemandActual(= tOnPace/(tOnPace + tOffPace)) ≤ DemandSetpoint일 때까지 tOffPace가 증가된다. 이와 같이, tOnPace가 수정되었지만 Demand가 충족되지 않는 경우, Demand Setpoint을 충족시키기 위해 tOffPace가 추가로 조절된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하여 장비 기동을 제한하기 위한 프로세스 제어 논리(각각, 170A 및 170B)의 플로우차트이다. 도시된 바와 같이, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 도 8a의 프로세스 제어 논리(170A)에 의해 발생된 "동작 모드(Mode of Operation)"가 도 8b에 도시된 프로세스 흐름 논리(170B)에서 입력으로서 사용된다. 이 기능은 최소치(MIN) 및 최대치(MAX) 한계를 tOnPace, tOffPace, 및 tDelayPace에 적용한다. 다음과 같이 정의된 동작 모드를 선택하기 위해 DryContactInput가 사용될 수 있다: 1 = Extend(과도한 난방 또는 냉방이 요구됨); 0 = Normal. 전자 제어기에 의해 제어되는 tDelay 값, tOn 값, 및 tOff("Pace") 값을 제한하기 위해 Normal 설정 또는 Extend 설정이 사용되는지를 선택하기 위해 DryContactInput이 사용될 수 있다. DryContactEnabled: 1/0 = 드라이 접점 입력(dry contact input)의 인에이블/디스에이블(Enable/ Disable). DryContactInput = 1/0 = 열린 회로(Oen circuit)/닫힌 회로(Closed circuit). DCInvert는 DryContactInput 신호의 극성을 반전시키는 것을 가능하게 한다. DCInvert = "OFF" = 0일 때, 동작 모드는 DryContactInput 값으로 설정된다. DryContactInput = 1일 때, 확장 설정(extend Setting)이 사용된다. DryContactInput = 0일 때, 정상 설정(normal Setting)이 사용된다. DCInvert = "ON" = 1일 때, 동작 모드가 not(DryContactInput) 값으로 설정된다. DryContactInput = 1일 때, 정상 설정이 사용된다. DryContactInput = 0일 때, 확장 설정이 사용된다.
예로서, 난방 응용에서:
난방 응용에서, OAT 상의 55 °F 스냅 센서(snap sensor)는 과도한 난방 요구사항을 검출하는 데 사용될 수 있고, 여기서 센서는 55 °F 미만의 온도에서 닫히고, 55 °F 초과의 온도에서 열리며; DryContactInput = 0/1(닫힘/열림 = 확장/정상) = <55 °F/ >55 °F = Extend 값/ Normal 값이고; DCInvert = OFF로 설정한다.
냉방 응용에서: OAT 상의 85 °F 스냅 센서는 과도한 냉방 요구사항을 검출하는 데 사용될 수 있고; 센서는 85 °F 초과의 온도에서 닫히고, 85 °F 미만의 온도에서 열리며; DryContactInput = 1/0(열림/닫힘 = 정상/확장) = < 85 °F/ >85 °F = Normal 값/Extend 값이고; DCInvert = ON으로 설정한다.
히트 펌프 응용에서: 증발기 라인(evaporator line) 상의 55 °F 스냅 센서는 히트 펌프가 냉방 또는 난방 동작 중인지를 검출하는 데 사용될 수 있고; 센서는 (냉방의 경우) 55 °F 미만의 온도에서 닫히고, (난방의 경우) 55 °F 초과의 온도에서 열리며; DryContactInput = 0/1(닫힘/열림 = 정상/확장) = <55 °F/ >55 °F이고; 난방에 대해 확장 값이 사용되고 냉방에 대해 정상 값이 사용되며; DCInvert = OFF로 설정한다.
도 8c 및 도 8d는 도 3b에 도시된 전자 제어기의 신호 발생기(109)의 동작에 대한 프로세스 제어 논리(각각, 180A 및 180B)의 플로우차트이다. 도시된 바와 같이, 다른 전술한 계산된 값 및/또는 파라미터에 부가하여, 도 8c의 프로세스 제어 논리(180A)에 의해 발생된 "PaceCycleTime" 값이 도 8c에 도시된 제어 논리로부터 계속되는 도 8d에 도시된 프로세스 흐름 논리(180B)에서 입력으로서 사용된다. 간략함을 위해, 도 8c 및 도 8d에서, 2개의 채널들 중 하나만이 도시되어 있다(입력 u1 및 출력 y1을 갖는 채널 1). 제2 채널 2(입력 u2 및 출력 y2를 갖는 채널 2)는 채널 1에 대해 도시된 것과 유사하게 처리될 수 있다. 신호 발생기(109)는 전술한 DS 제어기 및 DR 제어기에 의해 계산되는 시간 삼중항(tDelayPace1, tOnPace1, 및 tOffPace1)의 함수로서 이진 변조된 제어 신호(binary modulated control signal)를 생성하는 기능을 할 수 있다. 신호 발생기는 다음과 같이 동작할 수 있다: OEM 제어가 OFF로부터 ON으로의 전환을 신호할 때, OEM 제어 신호의 "OnTime"을 측정하기 위해 도 8c에서의 타이머 기능 "uOEM ON 시간 타이머(uOEM ON time timer)"를 실행하기 시작하는 제1 통과 플래그(FPF1)가 펄싱(pulse)된다. "OnTime"가 "tDelayPace1" 값을 초과하자마자, "사이클 타이머" 기능은 "PaceCycleTime"을 계산하기 시작한다. "PaceCycleTime"은, 원하는 사이클 주기 "tOnPace1 + tOffPace1"을 초과할 때마다, 0으로 리셋된다. "y1" 제어 신호는, "OnTime" ≥ "tDelayPace1" AND "PaceCycleTime" < "tOnPace1"일 때 ON이고, 그렇지 않은 경우 OFF이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 6, 도 7a 및 도 7b, 그리고 도 8a 내지 도 8d 중 임의의 것에 도시된 프로세스 제어 논리의 다양한 제어기들 및 모듈들 및 다른 특징들의 기능들이 전자 제어기의 전술한 마이크로프로세서에서 실행가능한 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.
도 8e를 참조하면, 도 3, 도 8c, 및 도 8d에 도시된 신호 발생기(109)의 동작을 설명하기 위해, OEM 신호 u1이 일례에서 이하의 설정을 사용하여 신호 발생기에 적용된다: tDelayPace1 = 20초, tOnPace1 = 10초, 및 tOffPace1 = 20초. u1 및 y1 시간 이력이 도 8e에 제시되어 있다. u1 신호의 주어진 사이클에 대해, y1 신호는 처음에 tDelayPace1 = 20초 그리고 그에 뒤이은 10초 ON(tOnPace1) 다음에 20초 OFF(tOffPace1)의 반복 시퀀스로 전개된다. u1 신호가 턴오프될 때 y1 신호가 턴오프된다. 상기 도면에서의 u1 신호는 사이클들 사이에서 증가하는 ON 시간을 갖게 전개되는데, 그 이유는 첫 번째 u1 사이클에 단지 2개의 y1 사이클이 있고 그 후에 3 개의 y1 사이클이 있기 때문이다.
10 개의 설치 구성 예들 각각에 대한 배선 종단(wiring termination)이 도 9 내지 도 18을 참조하여 이하에서 제시된다. 도 9 내지 도 18에서의 이들 예시 모두에 대해, 전자 제어기(1018)는 상이한 장비 구성들을 지원하도록 배선될 수 있는 2개의 독립적인 제어 채널을 제공한다. 제1 핀 모듈(1001)을 참조하면, 제1 채널(1001A)은 그의 핀 1 내지 핀 3 중 하나를 포함하고, 제2 채널(1001B)은 핀 4 내지 핀 6 중 하나를 포함한다. 부하 유닛(들)으로의 출력 라인들은 핀 4 내지 핀 6 중 하나로부터 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 제1 채널(1001A) 및 제2 채널(1001B)만이 도 9에 구체적으로 표시되어 있지만, 이들 채널에 대한 동일한 전술한 핀 할당이 도 10 내지 도 18 각각에서의 전자 제어기(1018)에 도시된 것과 유사한 핀 모듈(1001)에서 적용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 그에 부가하여, 제어기는, 기존의 BMS 시스템 등에 의해, 제어기의 원격 제어를 위해 사용될 수 있는 별도의 "드라이 접점" 입력 채널을 제공한다. 제2 핀 모듈(1010)을 참조하면, 그의 핀 1 및 핀 2는 이 드라이 접점 입력 모듈을 위해 사용될 수 있다. 통신 포트(1020)는 이들 도면에서 미니 USB 포트(예컨대, 카메라 크기 USB 포트)로서 도시되어 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 포트(1020)를 통해 제어기와 통신 링크를 설정하는 것에 의해 파라미터 등을 전자 제어기(1018) 내로 가져오기/입력하기 위해 서비스 도구(도시 생략)가 사용될 수 있다. 전자 제어기(1018)는 그의 조립 동안 그리고 현장에 설치하기 이전에 제어기 온보드 메모리로 프리로드(preload)되는 전술한 지연 기동 제어기, 수요 조절기 제어기, 초과 시간 제어기, 및 초과 사이클 제어기 프로그램들을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 냉방 응용에 대한 전기 결선도(1000)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 하나의 HVAC 냉각 디바이스(압축기)를 제어하기 위해 단일의 에어컨 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다. 압축기는 증기 압축 냉방/냉장 시스템에서 사용하기에 적합한 압축기일 수 있다. 압축기는 압축기를 구동하는 데 사용되는 전기 모터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 전기 모터 자체는 이러한 부하 유닛을 구동하는 데 사용되거나 유용한 종래의 전기 모터 또는 다른 적당한 전기 모터일 수 있다.
서모스탯은 건물에서 어떤 지점에 설치될 수 있고, 주변 공기의 온도를 감지하며, 온도가 선택된 쾌적 설정치보다 높은 경우, 공조 유닛을 활성화시키라는 신호를 송신한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서, 제어기는 서모스탯 신호를 가로채기하고, 제어기에 의해 처리된 출력 신호를 부하 유닛으로 송신하기 전에, 그의 프로그램된 알고리즘에 따라 신호를 처리하기 위해 전자 제어기에 전원을 공급한다. 공조 유닛은 전형적으로 압축기와, 폐쇄형 냉장 시스템(closed refrigerant system)(도시 생략)에서 서로 연결되어 있는 응축기 및 증발기를 포함한다. 냉장 사이클 자체는 공지되어 있다(예컨대, 참고로 그 전체가 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제4,094,166호를 참조). 기본적으로, 가스 냉매는 압축기로부터 열을 내보내는 응축기 코일(condenser coil)로 전달되고, 이어서 팽창 밸브를 통해 증발기 코일(evaporator coil)로 전달되고, 증발기 코일은 증발기 팬에 의해 그 위로 전달되는 순환 공기로부터 열을 흡수한다. 서모스탯이 주변 공기가 선택된 레벨로 냉각된 것을 감지할 때, 서모스탯은, 주변 온도가 추가 냉각이 필요한 레벨에 다시 도달할 때까지, 압축기, 증발기 팬 및 응축기 팬을 턴오프시키기 위해 오프 상태로 된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 전자 제어기는, 서모스탯이 부하 유닛에 신호하는 것을 중단할 때, 그 다음 파워 온 신호(power on signal) - 이 신호는 전술한 바와 같이 전자 제어기에 의해 가로채기되어, 제어기에 의해 처리된 출력 신호를 부하 유닛으로 송신하기 전에 그의 프로그램된 알고리즘에 따라 신호를 처리하도록 전자 제어기에 전원을 공급함 - 가 서모스탯에 의해 동일한 부하 유닛으로 송신될 때까지, 슬립 상태로 된다. 전술한 바와 같이, 불감대는 전형적으로 서모스탯에서의 제어 온도 설정에 적용되고, 에너지 절감을 제어된 방식으로 증가시키기 위해 이 불감대가 사실상 전자 제어기에 의해 수정될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 냉방 응용에 대한 전기 결선도(1100)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 2개의 HVAC 냉각 디바이스(이 예에서, 2개의 압축기임)를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때, 이 구성이 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다.
도 11은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 가스 난방 응용에 대한 전기 결선도(1200)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 하나의 단일 스테이지 가스 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다.
도 12는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 가스 난방 응용에 대한 전기 결선도(1300)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 듀얼 스테이지 가스 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다.
도 13은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 단일 스테이지 전기 난방 응용에 대한 전기 결선도(1400)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 하나의 단일 스테이지 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다.
도 14는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 듀얼 스테이지 전기 난방 응용에 대한 전기 결선도(1500)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 듀얼 스테이지 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 듀얼 스테이지 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용된다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다.
도 15는 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 전기 난방 응용에서의 냉방에 대한 전기 결선도(1600)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 에어컨 압축기 및 전기 난방 디바이스를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다. 제어기(1018)는 BMS 또는 다른 유사한 시스템(도시 생략)으로부터의 입력에 의해 원격적으로 제어될 수 있다. 이 특징이 필요한 경우, "드라이 접점" 입력(1010)이 사용된다. 도 15는 또한 선택적인 외부 온도 센서를 드라이 접점 입력에 연결시키기 위한 배선 종단을 포함한다.
도 16은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 가스 난방 응용에서의 냉방에 대한 전기 결선도(1700)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 에어컨 압축기 및 가스 난방 디바이스를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다. 제어기(1018)는, 이 구성에서, BMS 또는 다른 유사한 시스템(도시 생략)으로부터의 입력에 의해 원격적으로 제어될 수 있다. 도 15의 구성에서와 같이, 이 특징이 필요한 경우, "드라이 접점" 입력이 사용된다. 도 16은 선택적인 외부 온도 센서를 드라이 접점 입력에 연결시키기 위한 배선 종단을 포함한다.
도 17은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 전기 난방 응용에서의 히트 펌프에 대한 전기 결선도(1800)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 보조 전기 난방 디바이스에서의 히트 펌프 압축기를 제어하기 위해 듀얼 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 난방 또는 냉방 동작을 선택하는 수동 스위치를 제공하는 서모스탯을 지원한다. 제어기(1018)는, 이 구성에서, BMS 또는 다른 유사한 시스템(도시 생략)으로부터의 입력에 의해 원격적으로 제어될 수 있다. 도 15 및 도 16의 구성에서와 같이, 이 특징이 필요한 경우, "드라이 접점" 입력이 사용된다. 도 17은 선택적인 외부 온도 센서를 드라이 접점 입력에 연결시키기 위한 배선 종단을 포함한다.
도 18은 본 발명의 일례에 따른, 전자 제어기를 사용하는 보일러 응용에 대한 전기 결선도(1900)를 나타낸 것이다. 이 구성에 대한 배선 종단이 도면에 제시되어 있다. 이 구성은 하나의 단일 스테이지 보일러 난방 디바이스를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용될 때 사용될 수 있다.
이러한 방식으로, 예를 들어, 전술한 지연 기동 제어기, 수요 조절기 제어기, 초과 시간 제어기, 및 초과 사이클 제어기 프로그램들을 가지는 전자 제어기는 향상된 제어 신호들을 자동으로 발생시킬 수 있는 알고리즘으로 서모스탯의 제어 신호를 가로채기하여 처리하는 동작을 할 수 있다. 이점들 및 장점들 중에서도 특히, 기존의 HVAC&R 시스템은, 예를 들어, 난방, 냉방, 및 냉장 장비의 에너지 소비를 개선시키고 에너지 비용을 감소시키기 위해 본 명세서에 예시된 것과 같은 본 제어기를 구현할 수 있다.
본 발명은 이하의 양태들/실시예들/특징들을 임의의 순서로 및/또는 임의의 조합으로 포함한다.
1. 본 발명은 난방, 환기, 공조 또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning or refrigeration, HVAC&R) 시스템의 자동 제어를 위한 전자 제어기 디바이스에 관한 것으로서,
적어도 하나의 서모스탯 신호 라인(thermostat signal line)을 접속시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛(load unit)으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 제어기 디바이스는 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -;
부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동(selected conditioned space temperature variation)을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기(delayed start controller); 및
선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기(demand regulator controller)를 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
2. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 제어기 디바이스는 압축기, 송풍기, 또는 히터 중 적어도 하나에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
3. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 프로그램 가능 마이크로프로세서, 및 실시간 클럭을 포함하고, 지연 기동 제어기 및 수요 조절기 제어기는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 프로그램으로서 저장되어 있고 마이크로프로세서 상에서 실행가능하며, 제어기 디바이스는 실시간 클럭을 참조하여 OEM 파워 온 시간(OEM power ON time)을 기록하는 동작을 할 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
4. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 지연 기동 제어기는 부하 유닛을 기동시키라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있고, 서모스탯의 OEM 온도 불감대 설정치(OEM temperature deadband setting)가 OEM 온도 불감대를 대체하는 구역 온도 불감대(zone temperature deadband)를 획득하기 위해 1 이상의 수치값을 가지는 선택된 인자와 곱해지는, 전자 제어기 디바이스.
5. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 수요 조절기 제어기는 100%와 0% 수요 사이의 선택된 전기 수요 설정점을 충족시키기 위해 제어기 오프 시간 값을 고정된 값으로 설정하고 제어기 온 시간 값을 조절할 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
6. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 초과 시간 제어기(excess time controller) 및 초과 사이클 제어기(excess cycle controller) 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
7. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 전자 제어기 디바이스로서, 지연 기동 제어기 및 수요 조절기 제어기에서 적어도 부분적으로 수행되는, 전자 제어기 디바이스에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 신호 처리 알고리즘을 적용하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생기를 추가로 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
8. 본 발명은 난방, 환기, 공조 또는 냉장(HVAC&R) 시스템에 관한 것으로서, 난방, 환기, 공조 또는 냉장 유닛과, HVAC&R 시스템의 서모스탯 제어 신호를 가로채기하고 그에 알고리즘을 적용하여 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 출력 제어 신호를 발생시키는 제1항의 전자 제어기 디바이스를 포함하는, HVAC&R 시스템.
9. 본 발명은 HVAC&R 시스템의 자동 제어를 위한 시스템에 관한 것으로서,
서모스탯;
전자 제어기 디바이스; 및
전력 공급 선로(power supply line)에 연결되어 동작할 수 있는 적어도 하나의 부하 유닛을 포함하고,
전자 제어기 디바이스는 a) 적어도 하나의 서모스탯 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 제어기 디바이스는 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -, b) 부하 유닛을 파워 온(power on)하여 선택된 공조 공간 온도 변동을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기, 및 c) 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기를 포함하는, 시스템.
10. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 시스템으로서, HVAC&R 시스템의 다수의 부하 유닛들이 전자 제어기에 의해 동시에 제어되는, 시스템.
11. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 시스템으로서, 지연 기동 제어기 및 수요 조절기 제어기에서 적어도 부분적으로 수행되는, 전자 제어기 디바이스에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 신호 처리 알고리즘을 적용하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생기를 추가로 포함하는, 시스템.
12. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 시스템으로서, 지연 기동 제어기 및 수요 조절기 제어기를 적어도 포함하는 알고리즘이 서모스탯의 서모스탯 소프트웨어, 또는 건물 관리 시스템(Building Management System)(BMS) 소프트웨어에 추가되고, 여기서 BMS는 적어도 하나의 부하 유닛에 제어를 제공하는, 시스템.
13. 본 발명은 HVAC&R 시스템에서 전기로 작동되는(powered by electricity) 적어도 하나의 부하 유닛의 전력 사용(power usage) 및/또는 부하 수요(load demand) 및 동작을 자동으로 제어 및 관리하는 방법에 관한 것으로서,
부하 유닛에 대한 서모스탯과 부하 유닛에 대한 장비 부하 제어 스위치 사이의 제어 신호 라인에 제어기 디바이스를 전기적으로 접속시키는 단계 - 제어기 디바이스는 a) 적어도 하나의 서모스탯 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 제어기 디바이스는 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -, b) 부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기, 및 c) 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기를 포함함 -;
제어기 디바이스에서 냉방, 냉장, 또는 난방에 대한 서모스탯으로부터의 적어도 하나의 서모스탯 명령을 가로채기하는 단계;
전자 제어기에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 알고리즘을 적용하여 조절된 제어 신호를 발생시키거나 OEM 신호를 출력 신호로서 허용하는 단계;
부하 유닛의 동작을 제어하기 위해 제어기 디바이스에 의해 발생된 출력 신호를 부하 유닛 스위치로 출력하는 단계; 및
e) 에너지 소비 절감 및/또는 수요 소비 절감을 추정하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 방법으로서, HVAC&R 시스템의 부하 유닛은 압축기, 송풍기, 가스 히터, 전기 히터, 또는 보일러를 포함하는, 방법.
15. 임의의 이전의 또는 이하의 실시예/특징/양태의 방법으로서, HVAC&R 시스템의 다수의 부하 유닛들이 전자 제어기에 의해 동시에 제어되는, 방법.
본 발명은 이상에서 및/또는 이하에서 문장들 및/또는 단락들에 기재된 것들과 같은 이러한 다양한 특징들 또는 실시예들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 특징들의 임의의 조합이 본 발명의 일부로서 간주되고, 조합가능한 특징들과 관련하여 어떤 제한도 의도되어 있지 않다.
본 발명은 본 발명을 예시하기 위한 것인 이하의 예들에 의해 더욱 명백하게 될 것이다.
예 1
성능이 다음과 같이 평가되었다. 단일 스테이지 냉방 시스템의 동작의 시뮬레이션 - 여기서, 전자 제어기를 사용하여 그리고 전자 제어기를 사용하지 않고(OEM 제어 단독), 도 9에 도시된 것과 같은 하나의 압축기를 제어하기 위해 단일의 서모스탯이 사용됨 - 이 수행되었다. 이 시뮬레이션은 미국 매사추세츠주 웨스트퍼드 소재의 Visual Solutions으로부터 입수된 VisSim 소프트웨어를 사용하여 개발된 컴퓨터 모델에 대해 수행되었다. 개발된 프로그램은 본 명세서에서의 도 3 내지 도 8에 도시된 프로세스 제어 논리를 적용하는 전자 제어기의 동작, 및 단독으로(전자 제어기를 사용하지 않고) 동작하는 OEM 서모스탯 제어를 시뮬레이션하도록 구성되었다. 개발된 모델은, 언급된 단일 스테이지 냉방 구성에서 그리고 현장에서 OEM 서모스탯만을 사용하여, 동일한 장비의 동작으로부터 획득된 실제 데이터에 부분적으로 기초하였다. 시뮬레이션 모델이 현장 데이터(field data)와 부합하도록 교정된다.
전자 제어기가 Factor Setpoint를 따를 수 있다는 것이 도 19에 도시된 기록 플롯에 온도 조절의 면에서 제시되어 있다. Factor Setpoint는 처음에 2.7에, Demand Setpoint는 0.8에, 그리고 Equipment Starts Per Hour는 7에 설정되어 있다. 2.7의 Factor setting는 목표 구역 온도가 2.7*2 도 = 5.4 도의 불감대에 걸쳐 변해야 하고, 이 시간 동안 시뮬레이트된 구역 온도가 68 도와 71.75 도 사이에서 또는 3.75 도의 불감대에서 변한다(이는 만족스러운 것임)는 것을 의미한다. 시간 10000초에서, Factor Setpoint는 1.5(이는 3 도의 구역 온도 변동에 대응하고, 시뮬레이트된 변동은 68 도로부터 71 도로 또는 3 도였음)로 감소되었고, 이어서 시간 20000초에서 다시 2.7로 증가되었으며, 이어서 시간 60000초에서 다시 1.5로 감소되었다. 이들 온도는 모두 °F를 지칭할 수 있다.
전자 제어기가 Demand Setpoint를 따를 수 있다는 것이 도 20에 도시된 이력 플롯에 온도 조절의 면에서 제시되어 있다. Demand Setpoint는 시간 40000초에서 60%로 감소되었고, 이어서 시간 50000초에서 다시 80%로 증가되었다. 그렇지만, Demand setpoint 추적이 시간 65000초와 시간 80000초 사이에서 만족스러운 정도이고, Demand Setpoint는 달성될 수 없을 것인데, 그 이유는 "ON" 시간 및 "OFF" 시간이 제한된 동작 상태(이 제한은 구성 가능하지만, 장비에 대한 손상을 방지하는 데 적절함)에 있기 때문이다. 또한, 시간 40000초와 시간 50000초 사이의 우측 상부의 시간 이력 플롯에서 보는 바와 같이, Demand Setpoint가 감소됨에 따라 온도에 대한 역효과가 있다. Demand Setpoint가 감소됨에 따라, 장비는 덜 빈번히 가동될 것이고, 공조 공간 온도가 증가할 것이다.
도 20은 DR 제어기의 수요 추적 성능을 나타낸다.
도 21에 도시된 플롯은, Demand Setpoint 및 Factor Setpoint가 변화됨에 따라, DS 제어기에 의해 계산된 시간 지연(tDelayPace), 및 DR 제어기에 의해 계산된 "온" 시간 및 "오프" 시간(tOnPace 및 tOffPace)을 제시하고 있다.
시간당 장비 기동 횟수는 도 23에 도시된 시간 이력에 도시되어 있다. 시간당 기동 횟수는 시간 65000초까지 7에 고정되어 있다가, 시간 65000초에서 3으로 감소되며, 이어서 시간 80000초에서 다시 6으로 된다. 제어기는 최대 허용 시간당 장비 기동 횟수를 초과하지 않도록 설계되어 있다.
도 22는 본 발명에 의한 제어 하에서의 압축기 및 송풍기의 에너지 소비를 동일한 부하 조건에서 동일한 장비에 대해 수행되는 OEM 제어와 비교하여 나타낸 것이다.
도 23은 시간당 압축기 기동 횟수를 도시한 것이고, 설명을 요하지 않는다.
도 24는 본 발명의 일례에 따른 전자 제어기를 사용한 경우의 HVAC&R 시스템의 부하 디바이스의 도 19에 나타낸 시뮬레이트된 제어에 대한, 에너지 절감을 유사한 동작 기간에 대한 OEM 에너지 요구사항의 정규화된 퍼센트(%)로서 보여주는 플롯이다. 이 예시에 대한 에너지 절감은 약 20%이다.
본 개시 내용에서 인용된 모든 참조 문헌들의 전체 내용은 참고로 그 전체가 본 명세서에 포함된다. 게다가, 양, 농도, 또는 기타 값이나 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 상한 값들 및 바람직한 하한 값들의 목록으로서 주어질 때, 이것은, 범위들이 분리되어 개시되어 있는지 여부에 상관없이, 임의의 범위 상한 또는 바람직한 상한 값과 임의의 범위 하한 또는 바람직한 하한 값의 임의의 쌍으로 이루어진 모든 범위들을 특정하여 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 어떤 범위의 수치 값들이 인용되는 경우, 달리 언급하지 않는 한, 그 범위는 범위의 끝점들을 포함하고, 그 범위 내의 모든 정수 및 소수를 포함하는 것으로 의도되어 있다. 본 발명의 범주가 범위를 정의할 때 인용된 특정의 값들로 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다.
본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서를 살펴보는 것 및 본 명세서에 개시된 본 발명을 실시하는 것으로부터 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 예들이 단지 예시적인 것으로 간주되고 본 발명의 진정한 범주 및 사상이 이하의 청구항들 및 그의 등가물들에 의해 나타내어진다는 것이 의도되어 있다.

Claims (15)

  1. 난방, 환기, 공조 또는 냉장(heating, ventilating, air conditioning or refrigeration, HVAC&R) 시스템의 자동 제어를 위한 전자 제어기 디바이스로서,
    적어도 하나의 서모스탯 신호 라인(thermostat signal line)을 접속(attaching)시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 상기 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛(load unit)으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 상기 제어기 디바이스는 상기 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령(thermostat command)을 가로채기할 수 있음 -;
    부하 유닛을 파워 온(power on)하여 선택된 공조 공간 온도 변동(selected conditioned space temperature variation)을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기(delayed start controller); 및
    선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기(demand regulator controller)
    를 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기 디바이스는 압축기, 송풍기, 또는 히터 중 적어도 하나에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 프로그램 가능 마이크로프로세서, 및 실시간 클럭을 포함하고, 상기 지연 기동 제어기 및 상기 수요 조절기 제어기는 상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 프로그램들로서 저장되어 있고 상기 마이크로프로세서 상에서 실행가능하며, 상기 제어기 디바이스는 상기 실시간 클럭을 참조하여 OEM 파워 온 시간(OEM power ON time)을 기록하도록 동작할 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지연 기동 제어기는 부하 유닛을 기동시키라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있고, 서모스탯의 OEM 온도 불감대 설정치(OEM temperature deadband setting)가 상기 OEM 온도 불감대를 대체하는 구역 온도 불감대(zone temperature deadband)를 획득하기 위해 1 이상의 수치값을 가지는 선택된 인자와 곱해지는, 전자 제어기 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수요 조절기 제어기는 제어기 오프 시간 값들을 고정된 값으로 설정하고 제어기 온 시간 값들을 조절하여 100%와 0% 사이의 선택된 전기 수요 설정점을 충족시킬 수 있는, 전자 제어기 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 초과 시간 제어기(excess time controller) 및 초과 사이클 제어기(excess cycle controller) 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 지연 기동 제어기 및 상기 수요 조절기 제어기에서 적어도 부분적으로 수행되는, 상기 전자 제어기 디바이스에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 신호 처리 알고리즘을 적용하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생기를 추가로 포함하는, 전자 제어기 디바이스.
  8. 난방, 환기, 공조 또는 냉장(HVAC&R) 시스템으로서,
    난방, 환기, 공조 또는 냉장 유닛 및 상기 HVAC&R 시스템의 서모스탯 제어 신호를 가로채기하고 그에 알고리즘을 적용하여 상기 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 출력 제어 신호를 발생시키는 제1항의 상기 전자 제어기 디바이스를 포함하는, HVAC&R 시스템.
  9. HVAC&R 시스템의 자동 제어를 위한 시스템으로서,
    서모스탯;
    전자 제어기 디바이스; 및
    전력 공급 선로(power supply line)에 연결되어 동작할 수 있는 적어도 하나의 부하 유닛
    을 포함하고,
    상기 전자 제어기 디바이스는 a) 적어도 하나의 서모스탯 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 상기 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 상기 제어기 디바이스는 상기 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -, b) 부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기, 및 c) 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기를 포함하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 HVAC&R 시스템의 다수의 부하 유닛들이 상기 전자 제어기에 의해 동시에 제어되는, 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 지연 기동 제어기 및 상기 수요 조절기 제어기에서 적어도 부분적으로 수행되는, 상기 전자 제어기 디바이스에 의해 가로채기된 서모스탯 명령에 신호 처리 알고리즘을 적용하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생기를 추가로 포함하는, 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 지연 기동 제어기 및 상기 수요 조절기 제어기를 적어도 포함하는 알고리즘이 상기 서모스탯의 서모스탯 소프트웨어, 또는 건물 관리 시스템(Building Management System)(BMS) 소프트웨어에 추가되고, 여기서 BMS는 상기 적어도 하나의 부하 유닛에 제어를 제공하는, 시스템.
  13. HVAC&R 시스템에서 전기로 작동되는(powered by electricity) 적어도 하나의 부하 유닛의 전력 사용(power usage) 및/또는 부하 수요(load demand) 및 동작을 자동으로 제어 및 관리하는 방법으로서,
    부하 유닛에 대한 서모스탯과 상기 부하 유닛에 대한 장비 부하 제어 스위치 사이의 제어 신호 라인에 제어기 디바이스를 전기적으로 연결시키는 단계 - 상기 제어기 디바이스는 a) 적어도 하나의 서모스탯 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 입력 커넥터 및 상기 제어기 디바이스로부터의 제어 신호를 부하 유닛으로 출력하기 위한 적어도 하나의 신호 라인을 접속시키기 위한 적어도 하나의 출력 커넥터 - 상기 제어기 디바이스는 상기 HVAC&R 시스템의 부하 유닛에 대한 서모스탯 명령을 가로채기할 수 있음 -, b) 부하 유닛을 파워 온하여 선택된 공조 공간 온도 변동을 달성하라는 신호의 송신을 지연시킬 수 있는 지연 기동 제어기, 및 c) 선택된 전기 수요를 달성하기 위해 온 시간들 및 오프 시간들을 계산할 수 있는 수요 조절기 제어기를 포함함 -;
    상기 제어기 디바이스에서 냉방, 냉장, 또는 난방에 대한 상기 서모스탯으로부터의 적어도 하나의 서모스탯 명령을 가로채기하는 단계;
    상기 전자 제어기에 의해 상기 가로채기된 서모스탯 명령에 알고리즘을 적용하여 조절된 제어 신호를 발생시키거나 OEM 신호를 출력 신호로서 허용하는 단계;
    상기 부하 유닛의 동작을 제어하기 위해 상기 제어기 디바이스에 의해 발생된 상기 출력 신호를 부하 유닛 스위치로 출력하는 단계; 및
    e) 에너지 소비 절감 및/또는 수요 소비 절감을 추정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 HVAC&R 시스템의 상기 부하 유닛은 압축기, 송풍기, 가스, 오일, 또는 전기 히터, 또는 보일러를 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 HVAC&R 시스템의 다수의 부하 유닛들이 상기 전자 제어기에 의해 동시에 제어되는, 방법.
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