MXPA04010273A

MXPA04010273A - Sistema de control de temperautra para equilibrio termico.

Info

Publication number: MXPA04010273A
Application number: MXPA04010273A
Authority: MX
Inventors: G Attridge Russell Jr
Original assignee: G Attridge Russell Jr
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2005-07-05
Also published as: CA2485049A1; US20050087616A1

Abstract

Un metodo y aparato para controlar una zona con temperatura regulada haciendo uso de un sistema de control de temperatura para equilibrio termico. El sistema de control para equilibrio termico es un sistema de control dinamico en tiempo real que mide la carga termica sensible en la zona, y regula directamente la salida de BTU del conjunto de HVAC para equilibrar dicha salida con la carga termica sensible medida.

Description

SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA EQUILIBRIO TERMICO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema de control de temperatura y, de manera más particular, a un sistema que regula directamente la salida del sistema para balancear dicha salida con la carga térmica sensible. Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) son utilizados tanto para calentar como para enfriar el aire dentro de un recinto, por ejemplo un edificio o una zona dentro de un edificio. Un sistema HVAC incluye de manera común una unidad de calentamiento, una unidad de enfriamiento, un ventilador de aire de suministro, un ducto de suministro para dirigir el aire dentro del recinto y, un ducto de retorno para remover el aire desde el recinto. Aquellos con experiencia en la técnica apreciarán que los sistemas HVAC están diseñados de manera general para operar en uno de tres modos: un modo de calentamiento para calentar un recinto, un modo de enfriamiento para enfriar un recinto, y un modo economizador para ventilar el recinto. El modo economizador utiliza de manera común una compuerta de aire externo y una compuerta de aire de retorno, referidas de manera común como un economizador, que se pueden abrir en forma modulada y de manera selectiva a fin de permitir que el aire de retorno se mezcle con aire externo fresco. Existe de manera común un sistema de control asociado con un sistema HVAC, de manera que el sistema de control incluye un termostato (en forma común ubicado dentro del recinto) y hardware/software asociados para controlar los componentes del sistema HVAC particular en respuesta a las instrucciones previamente programadas. De manera común, el sistema de control permite al usuario seleccionar en forma previa uno de los tres modos de operación, así como seleccionar una temperatura deseada para el recinto Posteriormente, el sistema de control activa ya sea la porción de calentamiento o de enfriamiento del sistema HVAC para mantener la temperatura pre-seleccionada dentro del recinto. Bajo ciertas condiciones el modo economizador puede ser susceptible de mantener la temperatura previamente seleccionada. Cuando se fija en el modo de enfriamiento, el sistema de control proporcionará aire frío al recinto cuando la temperatura del recinto excede la temperatura pre-seleccionada. El sistema de control ejecuta esta tarea al activar la unidad de enfriamiento (o una etapa de una unidad de enfriamiento de etapa múltiple) u un ventilador de aire de suministro. El ventilador de aire de suministro sopla el aire a través de la unidad de enfriamiento y dentro del recinto. Como un resultado del aire frío que entra al recinto, la temperatura en el recinto se reduce. Una vez que la temperatura en el recinto cae por debajo de la temperatura pre-seleccionada, el termostato en el recinto proporciona una señal para el sistema de control el cual apaga la unidad de enfriamiento, o apaga una etapa del enfriamiento (si parte de una unidad de etapa múltiple). De manera similar, cuando se fija en el modo de calentamiento, el sistema de control proporcionará aire caliente al recinto cuando la temperatura del recinto cae por debajo de la temperatura preseleccionada. El sistema de control logra esta tarea al activar la unidad de calentamiento (o etapa de una unidad de calentamiento de etapa múltiple) y el ventilador de aire de suministro. El ventilador de aire de suministro sopla el aire a través de la unidad de calentamiento dentro del recinto. Como un resultado del aire caliente que entra al recinto, la temperatura en el recinto se eleva. Una vez que la temperatura en el recinto se eleva por encima de la temperatura pre-seleccionada, el termostato en el recinto proporciona una señal a la unidad de control que apaga la unidad de calentamiento, o apaga una etapa de calentamiento (como parte de la unidad de etapa múltiple). Como se mencionó, el modo de economizador puede ser capaz de mantener el recinto en la temperatura preseleccionada bajo ciertas condiciones. De manera particular, durante las ocasiones cuando la temperatura del aire externo es baja (por ejemplo 50°F), y el sistema de control necesita proporcionar aire frío al recinto para enfriar dicho recinto, el sistema puede utilizar el modo economizador para proporcionar el aire frío deseado al recinto. En el modo economizador, el sistema de control abrirá y cerrará en forma modular y de manera selectiva tanto una compuerta de aire externo como una compuerta de aire de retomo para mezclar el aire externo frío con el aire de retorno más caliente. De esta manera, el aire que es suministrado hacia el recinto es enfriado a la temperatura deseada sin la necesidad de activar la unidad de enfriamiento. Por supuesto, si la temperatura del aire externo es demasiado elevada y/o demasiado húmedo, será necesario activar la unidad de enfriamiento. Los sistemas de control de temperatura antes mencionados están diseñados de manera común para permitir el "ciclado de tiempo" de los componentes de calentamiento/enfriamiento, los cuales por supuesto limitan/impiden que esos sistemas conocidos regulen la salida BTU de los HVAC para balancear dicha salida con la carga térmica sensible medida. De manera más precisa, aquellos con experiencia en la técnica apreciarán que el "ciclado de tiempo" evita que un sistema opere en un modo de "tiempo real" y, con frecuencia, permite cambios de temperatura indeseables, así como la operación ineficiente de los componentes individuales. Esta operación ineficiente puede incluir la operación de capacidad de enfriamiento/calentamiento en exceso (resultando en costos de energía innecesarios) y ciclado excesivo de los componentes del sistema (resultando en una reducción de la vida útil de la unidad y7o un incremento en el mantenimiento de dicha unidad). De hecho, la técnica anterior ha considerado de manera general que los sistemas de control de temperatura en tiempo real que intentan regular directamente la salida BTU para balancear ducha salida con la carga del sistema son inherentemente inestables, y producirán "corto ciclado" excesivo y potencialmente dañino de los componentes de calentamiento/enfriamiento. Además, los sistemas de la técnica anterior por lo general son ineficientes debido a que el aire de suministro es frecuentemente más frío/más caliente que lo necesario para satisfacer la carga térmica sensible medida. Finalmente, y de manera general, dichos sistemas son incapaces de satisfacer una carga de enfriamiento/calentamiento no cubierta. Existe por lo tanto una necesidad en la técnica de un sistema para controlar la temperatura en tiempo real dinámico que regule de manera directa la salida BTU de un paquete HVAC para balancear dicha salida con la carga térmica sensible que se mide en el recinto regulado en temperatura, eliminando/reduciendo de esta manera los indeseables cambios de temperatura en el ambiente regulado, reduciendo el ciclado excesivo de componentes y eliminando/reduciendo la utilización de capacidad excesiva innecesaria.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención, la cual se dirige a las necesidades de la técnica anterior, se refiere a un método de control de la temperatura ambiente dentro de una zona de un sistema de control de temperatura. El método incluye de manera general las etapas redefinir una curva de temperatura de punto de fijación de demanda térmica para el sistema de control de temperatura, medir una carga térmica sensible dentro de la zona, calcular una temperatura de punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible, definir por lo menos una banda de carga para el sistema de control de temperatura que corresponde a una condición de equilibrio, y operar el sistema de control de temperatura para mantener los componentes individuales del sistema en una condición de operación constante en tanto que opera el sistema dentro de la banda de carga. La presente invención se refiere además a un sistema de control de temperatura de balance térmico para controlar la temperatura ambiente dentSro de una zona predefinida. El sistema incluye por lo menos una unidad de manipulación de aire para proporcionar el aire de suministro a una temperatura preseleccionada, la unidad de manipulación de aire que incluye por lo menos una etapa de unidad. El sistema incluye además un ducto de suministro para transportar el aire de suministro desde la unidad de manipulación de aire hasta una zona predefinida. Finalmente, el sistema incluye por lo menos un controlador para controlar la temperatura ambiente dentro de la zona predefinida. El controlador comprende por lo menos un circuito procesador para medir una carga térmica sensible dentro de la zona y para calcular una temperatura de punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible de acuerdo con curva de temperatura de punto de fijación de- demanda térmica predefinida. El circuito procesador opera el sistema de control de temperatura a fin de mantener la etapa de unidad en una condición energizada en tanto que el sistema opera dentro de una banda de carga predefinida que corresponde a una condición de equilibrio. Finalmente, la presente invención se refiere a un controlador para controlar la temperatura ambiente dentro de una zona de un sistema de control de temperatura. El controlador incluye por lo menos un circuito procesador para medir una carga térmica sensible dentro de la zona y para calcular una temperatura de punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible de acuerdo con una curva de temperatura de punto de fijación de demanda térmica. El circuito procesador opera el sistema de control de temperatura a fin de mantener los componentes de sistema individuales en una condición de operación constante en tanto que opera el sistema dentro de una banda de carga predefinida que corresponde a una condición de equilibrio.

Como un resultado, la presente invención proporciona un sistema de control de temperatura en tiempo real dinámico el cual regula de manera directa la salida BTU de un paquete HVAC para balancear dicha salida con la carga térmica sensible que se mide en un recinto regulado en su temperatura, por lo que elimina/reduce los indeseables cambios de temperatura en el ambiente regulado, reduciendo el ciclado excesivo de componentes y eliminando/reduciendo la utilización de capacidad excesiva innecesaria.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación esquemática de un sistema de calentamiento, ventilación y aire acondicionado que incluye el sistema de control de temperatura de balance térmico de la presente invención; La Figura 2 es una representación esquemática de los componentes de un paquete HVAC utilizado de acuerdo con la presente invención; La Figura 3 es una representación gráfica de la curva de temperatura de punto de fijación de demanda térmica del sistema de control de temperatura de balance térmico de la presente invención; La figura 4 es una representación gráfica de una curva de banda de carga de enfriamiento para el sistema de control de temperatura de balance térmico de la presente invención; La figura 5 es una representación gráfica de una curva de banda de carga economizadora sobrepuesta a la curva de la figura 4; y La figura 6 es una representación esquemática del controlador utilizado de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se describe de manera más completa a continuación, la presente invención está dirigida a un método y aparato para controlar una zona regulada en su temperatura utilizando un sistema de control de temperatura de balance térmico. El sistema de control de temperatura de balance térmico es un sistema de control en tiempo real dinámico que mide en forma constante la carga térmica sensible en la zona mencionada, y regula en forma directa la salida BTU del paquete HVAC con la carga térmica sensible medida, proporcionando de esta manera un estado de equilibrio del sistema. El sistema continuará operando en este estado de equilibrio (sin ciclado de tiempo de ninguno de los componentes de calentamiento/enfriamiento) hasta que el sistema mide un cambio en la carga térmica sensible dentro de la zona mencionada. La carga térmica sensible es la cantidad de desviación (medida en grados) entre la temperatura de punto de fijación para la zona y la temperatura de zona real. Cuando la temperatura ambiente real está por arriba de la temperatura de punto de fijación, la carga térmica sensible es una carga de enfriamiento, y el sistema debe por lo tanto reducir la temperatura del aire de suministro para balancear la salida BTU del paquete HVAC con dicha carga. Si la temperatura ambiente real está por debajo de la temperatura de punto de fijación, entonces la carga térmica sensible es una carga de calentamiento, y es necesario que el sistema incremente la temperatura del aire de suministro para balancear la salida BTU con dicha carga.

El sistema de control de balance térmico de la presente invención utiliza la fórmula: índice de Transferencia Térmica (BTU/HR) = Volumen de Aire de Suministro (pies cúbicos por minuto) x 1.08 x (Temperatura Ambiente - Temperatura de Aire de Suministro). Como se apreciará a partir de la fórmula anterior, el índice de transferencia térmica es igual a 0 cuando la temperatura ambiente es igual a la temperatura del aire de suministro. Como se describe en la presente, el sistema de control de balance térmico de la presente invención opera en una manera de "ciclado de carga", en contraste a la manera de "ciclado de tiempo" de las unidades convencionales. Se apreciará que las unidades HVAC disponibles las cuales operan en una función de encendido/apagado (por ejemplo, enfriamiento de expansión directa (DX), calor eléctrico, etc.) son utilizados en forma común en una manera de ciclado de tiempo. Particularmente, si el sistema de la técnica anterior requiere aire de suministro a 55° y etapa I de un sistema de enfriamiento DX solamente reduce la temperatura a 60°, la segunda etapa de dicho sistema será de activar y desactivar el ciclado para reducir la temperatura del aire de suministro por debajo de 55°C. Cada vez que una unidad activa o desactiva el ciclado el sistema puede experimentar cambios de temperatura amplios y confortables. Con respecto a la activación y desactivación del ciclado de una unidad de enfriamiento DX, la condensación atrapada en una bobina se evaporará dentro del aire de suministro cuando las unidades desactivan el ciclado. Este incremento en la humedad del aire de suministro puede ocasionar incomodidad a los ocupantes en el edificio, y disminuir también la eficiencia general de la unidad (en que la unidad debe remover nuevamente el vapor desde el aire cuando se activa nuevamente el ciclado). Por ejemplo, el ciclado de una etapa de enfriamiento DX en un día lluvioso de verano puede ocasionar dicha condición indeseable. Haciendo referencia a la figura 1 , un sistema de control de temperatura de balance térmico 10 de acuerdo con la presente invención incluye un paquete de calentamiento, ventilación y aire acondicionado (HVAC) 12 para suministrar aire de suministro frío o calentado 14 (así como aire externo fresco) dentro del ducto de aire de suministro 16, el cual comunica con un recinto interno, es decir la zona 18. El aire de retorno 20 es removido posteriormente desde la zona 18 por medio del ducto de aire de retorno 22. El sistema de control de temperatura 10 también incluye un controlador de balance térmico 24, el cual es un controlador en tiempo real dinámico que mide la carga térmica sensible en la zona 18, y regula la capacidad de salida del paquete HVAC 12 para balancear dicha salida con esa carga medida. Como se muestra en la figura 2, el paquete HVAC 12 incluye un ventilador de aire de suministro 26 para mover el aire de suministro dentro de la zona 18 y un ventilador de aire de retorno 28 para remover un aire de retorno desde la zona 18. El paquete HVAC 12 incluye además una sección economizadora 30, una unidad de calentamiento 32, una unidad de enfriamiento 34 y un detector de temperatura del aire de suministro 36. El paquete 12 también puede incluir un filtro 38, una alarma de baja temperatura 40 y un detector de temperatura límite inferior 42. La sección economizadora 30 incluye de manera preferible una compuerta de descarga 44, una compuerta de aire externo 46 y una compuerta de aire de retorno 48. La compuerta de aire de retorno 48, junto con la compuerta de aire externo 46, controlan la mezcla porcentual de aire de retorno/aire fresco que alimentada dentro del ducto de aire de suministro 16. Aquellos con experiencia en la técnica comprenderán que la compuerta de descarga 44, la compuerta de aire externo 46 y la compuerta de aire de retorno 48 son operadas de manera preferible para cubrir por lo menos uno de los siguientes objetivos: 1 ) operar en modo economizador cuando las condiciones lo permitan; 2) tomar máxima ventaja de la temperatura del aire de retorno; y 3) mezclar suficiente aire fresco en el aire de suministro. En una modalidad preferida, el paquete HVAC 12 incluye una sección economizadora, una sección de calentamiento de gas de dos etapas, una unidad de enfriamiento de expansión directa (DX) de tres etapas, un ventilador de suministro de volumen constante y un ventilador de aire de retorno de volumen constante. Un paquete preferido es clasificado en 25 toneladas a 10,000 pies cúbicos por minuto. Esta capacidad de diseño se basa en aproximadamente 400 pies cúbicos por minuto por tonelada, y 5-6 cambios de aire por hora. La secuencia de operación del paquete HVAC 12 sigue de manera preferible un Ciclo ASHRAE II. El sistema de control de temperatura de balance térmico 10 se puede utilizar en un sistema de volumen constante o en un volumen de aire variable (VAV). Aquellos con experiencia en la técnica reconocerán que un sistema VAV utilizaría ventiladores de suministro y de retorno variables (en contraste con los ventiladores de velocidad constante utilizados en un sistema de volumen constante). A diferencia del sistema de volumen constante, el sistema VAV incluirá de manera común un calibrador de presión diferencial ubicado en el ducto de aire de suministro corriente abajo desde el ventilador de aire de suministro. El sistema de control de temperatura de balance térmico 10 puede operar ya sea en modo de calentamiento, economizador o de enfriamiento, dependiendo de la carga térmica sensible medida dentro de la zona 18. De manera más particular, el modo de calentamiento es controlado en forma preferible por medio de ciclado (en secuencia) de las dos válvulas de gas a fin de mantener una temperatura de aire de suministro deseada. El modo de calentamiento por lo general no es iniciado hasta que la compuerta de aire externo 46 está en su fijación de abertura mínima. De manera preferible, el calentamiento inicial matutino se logrará tanto con la compuerta de aire externo 46 como la compuerta de aire de descarga 44 completamente cerradas, y la compuerta de retorno 48 completamente abierta. El modo de enfriamiento economizador es controlado en forma preferible a través de la modulación de la compuerta de descarga 44, la compuerta de aire externo 46 y la compuerta de aire de retorno 48 para mantener la temperatura de aire de suministro deseada. El modo de enfriamiento economizador está limitado de manera preferible por medio de un detector de temperatura de aire externo fijado a 60° que reduce la entrada de aire externo fresco (para ventilación) hasta un valor mínimo a temperaturas que exceden 60°. Por supuesto, esta fijación de 60° es ajustable, dependiendo de criterios del sistema. Finalmente, el modo de enfriamiento es controlado de manera preferible por medio de ciclado de las etapas de enfriamiento en relación directa con la carga térmica sensible medida dentro de la zona 18. Debido a que el sistema de control de temperatura 10 busca balancear la salida BTU del paquete HVAC 12 con la carga térmica sensible medida dentro de la zona 18, las etapas de calentamiento y enfriamiento no experimentan el corto ciclado (es decir, activación y desactivación de ciclado de las etapas individuales). En vez de ello, dichas etapas permanecerán activadas hasta el momento en que el sistema mide un cambio en la carga térmica sensible. Aquellos con experiencia en la técnica apreciarán que una unidad de calentamiento/enfriamiento de etapa múltiple proporciona de manera general una mejor eficiencia total. Por ejemplo, en una unidad de enfriamiento de etapa múltiple que tiene tres etapas, cada etapa proporciona aproximadamente 33% de la capacidad de enfriamiento total de la unidad. Cuando se requiere el enfriamiento máximo, pueden activarse las tres etapas. Sin embargo, cuando no es necesaria la salida de sistema máxima, una o más de las etapas pueden ser desactivadas, permitiendo de esta manera que el sistema opere en un modo más eficiente en cuanto a la energía. De manera similar, cada etapa en una unidad de dos etapas proporciona 50% de la capacidad total de la unidad, en tanto que cada etapa de una unidad de cuatro etapas proporciona el 25% de la capacidad total. En una modalidad, el diferencial de relé de una etapa de enfriamiento se hace mayor que el cambio de temperatura que resulta a partir de la etapa que es energizada o desenergizada. Esto evita que la etapa de enfriamiento haga corto ciclado debido a la acción del detector de descarga. De manera preferible, los relés se instalarán para proporcionar controles Vernier. Aquellos con experiencia en la técnica comprenderán que el restablecimiento de la temperatura del aire de suministro en respuesta a ciertas mediciones del sistema puede mejorar el rendimiento y operación del sistema general. Aunque el sistema de la técnica anterior utiliza programas de restablecimiento, dicho programas constan por lo general de una relación fija estándar que no se correlaciona de manera directa con las características de operación del sistema y no permite que el sistema alcance un estado de equilibrio. En contraste, la curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica del sistema de la presente invención (como se muestra en la figura 3) está establecida para correlacionarse de manera directa con las características de operación del paquete HVAC 12 y para permitir que el sistema alcance un estado de equilibrio (es decir, la salida BTU es equilibrada con la carga térmica sensible medida). Haciendo referencia ahora a la figura 3, la curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica para el paquete HVAC 12 incluye una porción de calentamiento y una porción de enfriamiento. Por ejemplo, si la unidad de calentamiento particular es capaz de proporcionar un incremento de temperatura máximo de 50°, después la porción de calentamiento es extendido para extenderse entre un punto de fijación de demanda térmica mínimo P0 (en donde 0 es requerido) y un punto de fijación de demanda térmica máximo P, (en donde el calor máximo, es decir, más de 50° es requerido). La condición de calentamiento máximo corresponde a una carga térmica sensible medida de -2°F. La porción de enfriamiento de la curva es extraída de acuerdo con la unidad de enfriamiento particular instalada en el sistema. Por ejemplo, si el sistema es capaz de reducir la temperatura del aire de suministro a un máximo de 25°, entonces la curva es extraída entre un punto de fijación de demanda térmica mínimo P0 (en donde se requiere el enfriamiento 0) y un punto de fijación de demanda térmica máximo P2 (en donde el enfriamiento máximo, es decir, menos de 25°F) se requiere. Esta condición de enfriamiento máximo corresponde a una carga térmica sensible medida de +2°F. La curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica de la figura 3 se basa en una banda de temperatura de más y menos 2°F. En una caída en la temperatura de espacio de 2°F, la temperatura del aire de suministro será restablecida desde la temperatura del punto de fijación P0 hasta P0 más 50°F. En un incremento en la temperatura de espacio de 2CF, la temperatura del aire de suministro será restablecida desde la temperatura del punto de fijación P0 hasta P0 menos 25°F. Esta banda puede, por supuesto, ensancharse (aunque la ampliación de la banda puede ocasionar que la temperatura en la zona 18 se mueva a una región no confortable), se puede estrechar (el cual puede incrementar el costo de operación de dicho sistema) o puede incluir la acción de control integral para sensibilidad mejorada. Se describirá el método del sistema actual con respecto a las figuras 3 y 4. Como se describe, la figura 3 se utiliza para calcular la temperatura del punto de fijación de demanda térmica del aire de suministro durante la operación del sistema. Para iniciar, se mide la carga térmica sensible en la zona 18. Si, por ejemplo, el punto de fijación ambiente es 73°F y la temperatura ambiente medida real es 74°F, la desviación desde el punto de fijación (es decir, la carga térmica sensible) es +1 °. Haciendo referencia a la curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica de la figura 3, una desviación de temperatura de +1 está dentro de la porción de enfriamiento de la curva y corresponde a aproximadamente -12.5° en el eje Y. El punto de fijación P0 de la figura 3 corresponde a la temperatura de punto de fijación de la zona 18. Por lo tanto, la temperatura del punto de fijación de demanda térmica para el aire de suministro se calcularía para ser 73° - 12.5° = 60.5°. Esta es la temperatura a la cual se balancea el sistema, es decir proporcionando aire de suministro a 60.5°F a la zona 18 mantendrá la zona 18 en un estado de equilibrio a 74°F. En ciertas aplicaciones, como se describe en la solicitud de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendiente, en co-propiedad No. de Serie 10/704,251 presentada el 7 de noviembre de 2003, la descripción de la cual está incorporada a la presente mediante referencia, el sistema puede ser diseñado para reconocer esta carga de enfriamiento no cubierta (es decir, el +1 °F en la zona 18). Posteriormente, el sistema calcularía y suministraría el enfriamiento adicional necesario para mover la temperatura ambiente real hacia el punto de fijación ambiente. La figura 4 ilustra la curva de banda novedosa de la presente invención, la cual, de manera preferible, es una curva proporcional que tiene parámetros preseleccionados que corresponden a los componentes del sistema. La gráfica particular mostrada en la figura 4 representa una gráfica para un sistema de enfriamiento DX de etapa múltiple que tiene tres etapas en donde el enfriamiento máximo es de aproximadamente 20°. Una tolerancia de 40% (es decir 8°) se puede diseñar dentro del sistema de manera que el eje X se extiende desde 0° hasta 28° (20° + (40% de 20°)). El eje X de la banda de carga es de 10° de ancho (es decir, se extiende desde 9o hasta 19°). Se apreciará que cada etapa del sistema de enfriamiento DX de tres etapas es susceptible a una caída de temperatura de aproximadamente 7o. De nuevo, una tolerancia de 40% se puede diseñar dentro del sistema a fin de proporcionar un total de aproximadamente 10° (7o + (40% de 7) = 9.8, la cual es de aproximadamente 10°).

Si se calcula que la temperatura del aire de suministro deseada es de 60.5° (como se describió con anterioridad en la presente), el punto de fijación S de la gráfica de la figura 4 se fijará en 60.5°. El valor de este punto permanecerá fijo hasta que el sistema mida un cambio en la carga térmica sensible en la zona 18 y vuelva a calcular la temperatura del punto de fijación de demanda térmica a partir de la figura 3. La temperatura del aire de suministro real (como se midió a través del detector 36) es graficada entonces a lo largo de la curva. Con el punto de fijación S fijado a 60.5°, el punto Si corresponderá a 55.5°F y el punto S2 corresponderá a 65.5°F. La primera etapa de enfriamiento se activará, dando como resultado una caída de temperatura de 7o. Si esto es suficiente para llevar a la temperatura del aire de suministro dentro de la banda de carga, la cual, en este ejemplo se extiende desde 55.5° hasta 65.5° (5o en cualquier lado del punto de fijación), entonces no se activarán etapas adicionales. En tanto que la temperatura del aire de suministro permanece dentro de la banda de carga, la primera etapa del compresor permanecerá activa. A diferencia de los sistemas convencionales que podrían iniciar de manera automática el ciclado de tiempo de esta etapa del compresor, el sistema de la presente invención permitirá que esta etapa dej compresor permanezca activa en tanto que la temperatura del aire de suministro permanezca dentro de dicha banda de carga. Dicho en otras palabras, el control de balance térmico de la presente invención ha alcanzado un estado de equilibrio de sistema, y puede permanecer en este estado hasta que se mida un cambio en la carga térmica sensible. La porción de la curva de la figura 4 se extiende desde el punto S1 hasta S2 es referida en la presente como la banda de carga. Una vez que la temperatura del aire de suministro se mueve fuera de la banda de carga, se mueve dentro de una de dos regiones de integración. Por ejemplo, si dos etapas del compresor de tres etapas son activadas y la temperatura del aire de suministro continua en disminución de manera que se mueve hacia debajo de la curva dentro de la región integral inferior, un factor integral incrementará la velocidad a la cual se mueve la temperatura del aire de suministro hacia el punto de fuera de etapa. Una vez que la temperatura del aire de suministro toca este punto, la etapa particular es desactivada, elevando de esta manera la temperatura del aire de suministro e Impulsando esta temperatura del aire de suministro de regreso hacia la banda de carga. De igual manera, si la temperatura del aire de suministro se incrementa de manera que se mueve arriba de la curva dentro de la región integral superior, finalmente las etapas adicionales de enfriamiento serán activadas. De nuevo, la acción integral disminuye el tiempo necesario para alcanzar el punto donde se activa una etapa adicional de enfriamiento. Por lo tanto, el sistema anticipa el sobreenfriamiento a través de las porciones de acción integral del sistema de control. De manera más particular, el sistema anticipa un cambio en la carga térmica sensible. Si la carga se está incrementando (indicando por tanto la necesidad de una etapa extra de enfriamiento), la temperatura del punto de fijación de demanda térmica disminuirá (proporcionando de esta manera un menor punto de fijación para el módulo de control de enfriamiento). La temperatura del aire de suministro será ahora más alta que la temperatura del punto de fijación de demanda térmica, y empezará a desplazarse arriba de la curva dentro de la región integral superior. Un factor integral incrementará la velocidad a la cual la temperatura del aire de suministro se mueve hacia el punto de activación de etapa. Si la carga térmica sensible está disminuyendo, ocurrirá la acción inversa. Como un resultado, el sistema proporciona anticipación del cambio de carga. Dicho de manera diferente, la presente invención anticipa la ganancia en la dirección errónea, y corrige esta ganancia indeseable antes de que el recinto regulado experimente un cambio de temperatura incómodo. Aquellos con experiencia en la técnica apreciarán que aunque el sistema convencional finalmente compensaría el cambio en la temperatura del aire de suministro, debido a los retardos inherentes y las constantes de tiempo asociadas con los sistemas HVAC, el sistema convencional no puede responder hasta "después del hecho". Dicho con otras palabras, el recinto regulado habrá experimentado ya el cambio de temperatura desagradable antes de que empiece a reaccionar al cambio de temperatura debido al cambio en la temperatura del aire de suministro. La figura 5 ilustra una curva de banda de carga economizadora sobrepuesta en la curva de banda de carga de enfriamiento de la figura 4. En este ejemplo particular la banda de carga economizadora se extenderá más y menos 1.5° desde el punto de fijación S. Una vez que la temperatura del aire de suministro haya incrementado 1.5° sobre el punto de fijación S, el sistema empezará a abrir en forma modularla compuerta de aire extemo. De manera similar, una vez que la temperatura del aire de suministro disminuya 1.5° por debajo del punto de fijación S, el sistema empezará a cerrar en forma modulada la compuerta de aire externo. En tanto que la temperatura del aire de suministro está dentro de la banda de carga economizadora, la compuerta de aire externo se mantendrá en una posición constante. Haciendo referencia a la figura 6, el sistema de control de la presente invención, es decir, el controlador 24, utiliza tres módulos de control individuales, a saber un primer módulo de control 50 para la unidad de calentamiento, un segundo módulo de control 52 para la unidad economizadora y un tercer módulo de control 54 para la unidad de enfriamiento. El sistema de control está diseñado de manera que cada uno de los módulos de control individual opera su unidad respectiva dependiendo de si la temperatura del aire de suministro está por encima o por debajo de la temperatura del punto de fijación de demanda térmica deseada calculada a partir de la figura 3.

Los cálculos y operaciones del sistema descritos hasta ahora en la presente son ejecutados de manera preferible por el controlador 24 y, de manera particular por los módulos de control individuales. De manera más particular, el controlador y/o los módulos de control incluyen de preferencia hardware/software que es capaz de ejecutar los cálculos mencionados, y de utilizar la temperatura del punto de fijación de demanda térmica predefinida y las curvas de banda de carga para controlar las operaciones del sistema 10 de acuerdo con los parámetros descritos en la presente. Se debe observar que cada módulo de control recibe dos conjuntos de números. De manera específica, cada módulo recibe la temperatura del punto de fijación de demanda térmica TP para el aire de suministro (a partir de la figura 3), y la temperatura real del aire de suministro TSA (como se midió a través del detector 36). Además, cada módulo de control tiene un punto de fijación de temperatura específico que es utilizado para determinar cual de los tres módulos individuales es activado. El punto de fijación de temperatura específico de cada módulo se basa en la temperatura de punto de fijación del punto de fijación de demanda térmica, así como una disposición de desviación predefinida. En una modalidad preferida, los módulos son desviados para controlar en una temperatura diferente en base a la temperatura del punto de fijación de demanda térmica para el aire de suministro de manera que solamente un solo módulo se activará en cualquier momento. Dependiendo de si el aire de suministro está o no sobre o debajo de cada uno de los puntos de fijación de temperatura específicos de módulo determina que unidad será activada, y por loo tanto controla el sistema. Por ejemplo, la temperatura del aire de suministro real (como se midió a través del detector 36) estará por debajo de la temperatura del punto de fijación de demanda térmica, el módulo de control de calentamiento sería activado para elevar la temperatura del aire de suministro. Durante este tiempo, el módulo de control de enfriamiento y el módulo de control economizador no están activados ya que la temperatura del aire de suministro está por debajo de sus puntos de fijación de temperatura específicos. Como se mencionó, los módulos de control de calentamiento, economizador y de enfriamiento son instalados con una disposición de desviación predefinida. El módulo de control de calentamiento tiene una disposición de desviación de -3°F, el módulo de control economizador tiene una disposición de desviación de 0°F, y el módulo de control de enfriamiento tiene una disposición de desviación de +2°F. Esos puntos de desviación por supuesto son ajustables. Haciendo referencia de nuevo al ejemplo antes establecido en donde la temperatura del punto de fijación de demanda térmica para el aire de suministro se calculó para ser de 60.5°F, el punto de fijación local del módulo de control de calentamiento se calcularía para ser de 60.5° - 3o = 57.5°F. El punto de fijación local para el módulo de control economizador se calcularía para ser de 60.5°F + 0o = 60.5°F, en tanto que el punto de fijación local para el módulo de control de enfriamiento se calcularía para ser 60.5°F + 2.5°F = 63°F. El punto de fijación local separa la acción de control de los módulos de control individuales. Si la temperatura del aire de suministro (como se midió a través del detector 36) está por debajo de los 57.5°F (el punto de fijación local del módulo de control de calentamiento) el sistema agregará calor para satisfacer la demanda. Si la temperatura del aire de suministro (como se midió a través del detector 36) está por encima de 60.5°F (el punto de fijación local del módulo de control economizador) y el aire externo frío está disponible el módulo de control economizador modulará la compuerta 46 para satisfacer la demanda. Si la temperatura del aire externo está por encima de un límite de temperatura predefinido, el módulo de control de enfriamiento ciclará el enfriamiento para satisfacer la demanda. Finalmente, si la temperatura del aire de suministro (como se midió a través del detector 36) está por encima de 63°F (el punto de fijación local del módulo de control de enfriamiento), el sistema enfriará el aire de suministro para satisfacer la demanda. El punto de fijación de cada módulo de control es 50. Cada módulo de control define una banda de carga y regiones de integración superior e inferior (para anticipación de carga). El módulo de control de calentamiento está actuando de manera inversa y, los módulos de control economizador y de enfriamiento están actuando de manera directa. Los módulos de control están instalados para estabilizar siempre que la temperatura del aire de suministro esté dentro de la banda de carga. El sistema estabiliza entonces en ese nivel de salida BTU, es decir, permanecerá allí hasta que haya un cambio en la carga térmica sensible en la zona. La banda de carga es instalada para igualar la salida BTU a la carga térmica sensible medida. La característica de anticipación de carga opera cuando cambia la carga térmica sensible, indicando un incremento o disminución requerida en la salida BTU del paquete HVAC. Para las aplicaciones de control de calentamiento, el módulo de control de calentamiento puede ser instalado para control individual, para control de etapa múltiple, o control modular. Para aplicaciones de control economizador, el módulo de control economizador puede ser instalado para mezclar el control de compuerta con la posición de compuerta mínima o modulación de una válvula de enfriamiento libre con un alto límite de temperatura. Para aplicaciones de control de enfriamiento DX, el módulo de control de enfriamiento puede ser instalado para utilizar la banda de carga y los ajustes de anticipación de carga para proporcionar ciclado de carga. Cuando una etapa del enfriamiento DX es energizada la etapa permanecerá ACTIVA (ON) hasta que haya una disminución en la carga térmica sensible medida. El sistema proporciona ciclado de carga de las etapas DX, no ciclado de tiempo. El módulo de control prolongará el tiempo ACTIVO de una etapa de enfriamiento si hay un incremento en la carga latente en la unidad, interno o externo. De acuerdo con la presente invención, el sistema de control 10 puede eliminar la caída, sobreimpulso y retraso mecánico al proporcionar la velocidad de ciclo óptima de cualquier etapa para operación eficiente bajo condiciones de carga. El sistema de control 10 puede responder de manera inmediata a un cambio en la carga térmica sensible medida al optimizar la velocidad de ciclo de las etapas de calentamiento o enfriamiento DX o la reubicación de las compuertas de aire combinadas. El sistema de control 10 también puede responder en forma inmediata al cambio medido en la salida BTU del paquete HVAC (debido a cambios en las temperaturas de aire externo) al optimizar la velocidad de ciclo de las etapas de calentamiento o enfriamiento DX o la reubicación de las compuertas de aire combinadas. El sistema de control 10 puede optimizar de manera dinámica la velocidad de ciclado de las etapas de calentamiento o enfriamiento en base a la salida BTU del paquete HVAC al medir la temperatura del aire de suministro y ajustar la velocidad del ciclo para igualar la salida BTU a la carga térmica sensible medida. La velocidad de ciclo puede ser ajustada en tiempo real para igualar la salida BTU a la carga; el sistema no calcula la velocidad del ciclo en base a un programa de software desarrollado. La respuesta de carga del sistema de control 10 puede estar caracterizada por la inicialización automática de las etapas para una velocidad de ciclo óptima. El sistema de control 10 puede adaptarse a las características de operación de los diferentes modos, calentamiento, economizador y enfriamiento, ya sea por etapas o proporcional. El sistema de control iguala la salida BTU de la unidad para la carga en el espacio sin ciclado de un modo a otro o ciclo corto entre etapas. El sistema de control no requiere retrasos entre etapas. El sistema de control 10 puede adaptarse de manera automática a un cambio en la carga latente en el espacio de un cambio en la temperatura del aire de ventilación extemo, y puede variar la velocidad de ciclo de enfriamiento DX para remoción óptima del calor latente e IAQ mejorada. El sistema de control 10 no calentará y enfriará de manera simultánea, ni ciclará entre el calentamiento y el enfriamiento. El sistema de control 10 no requiere un conmutador de modo de calentamiento o enfriamiento. En vez de ello, el sistema puede medir la carga y responder en consecuencia. El sistema de control 10 puede reconocer cambios en la carga, ya sea internos (espacio) o externos (entrada a la unidad) que afectarán la relación de igualación de la salida BTU a la carga térmica sensible medida y puede responder de manera inmediata.

El sistema de control 10 puede identificar una falla de etapa, de calentamiento o enfriamiento, y puede activar la siguiente etapa si está disponible y activa una alarma. El sistema de control 10 puede monitorear el rendimiento del paquete HVAC de manera continua. Es posible emitir una alarma para cada malfuncionamiento si así se desea. Se apreciará que la presente invención se ha descrito aquí con referencia a ciertas modalidades preferidas o ilustrativas. Las modalidades preferidas o ilustrativas aquí descritas pueden ser modificadas, cambiadas, añadidas o derivadas sin apartarse de la intención, espíritu y alcance de la presente invención y, se pretende que todas esas adiciones, modificaciones, enmienda y/o derivaciones estén incluidas dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar la temperatura ambiente dentro de una zona de un sistema de control de temperatura que utiliza aire de suministro que tiene una temperatura T, que comprende las etapas definir una curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica para el sistema de control de temperatura; medir una carga térmica sensible dentro de la zona; calcular una temperatura del punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible; definir por lo menos una banda de carga para el sistema de control de temperatura que corresponde a una condición de equilibrio; y operar el sistema de control de temperatura para mantener los componentes individuales de dicho sistema en una condición de operación constante en tanto que el sistema opere dentro de la banda de carga.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la., primera etapa de definición incluye las etapas de establecer una curva de calentamiento que se extiende entre un punto de fijación de demanda térmica de calentamiento mínimo que corresponde a una condición de salida de calentamiento mínimo y un punto de fijación de demanda térmica de calentamiento máximo que corresponde a una condición de salida de calentamiento máximo y establecer una curva de enfriamiento que se extiende entre un punto de fijación de demanda térmica de enfriamiento mínimo que corresponde a una condición de salida de enfriamiento mínimo y un punto de fijación de demanda térmica de enfriamiento máximo que corresponde a una condición de salida de enfriamiento máximo.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la carga térmica sensible es igual a la cantidad de desviación entre la temperatura del punto de fijación de dicha zona y una temperatura ambiente real para dicha zona, y en donde la etapa de medición incluye la etapa de calcular la diferencia entre la temperatura de punto de fijación y la temperatura ambiente real.

4. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la etapa de cálculo incluye las etapas adicionales de: establecer un punto en la curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica que corresponde a la carga térmica sensible; determinar una temperatura delta T a partir de la temperatura de punto de fijación; y calcular la temperatura del punto de fijación de demanda térmica en base a la temperatura de punto de fijación ambiente y la temperatura delta T.

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la segunda etapa de definición incluye las etapas de establecer una banda de carga de operación que tiene una anchura preseleccionada que corresponde de manera general a las características de operación de una etapa de control de temperatura de unidad.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, que comprende además la etapa de definir una región de integración superior ubicada sobre la banda de carga de operación y una región de integración inferior ubicada debajo de la banda de carga de operación; y proporcionar la acción de integración para incrementar la sensibilidad del sistema cuando una señal entra a una de las regiones de integración superior e inferior.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la etapa de operación incluye la etapa de energizar la etapa de unidad de control de temperatura para mover la temperatura T del aire de suministro dentro de la banda de carga, y mantener la unidad en un estado energizado en tanto que la temperatura T permanezca dentro de la banda de carga.

8. Un sistema de control de temperatura de balance térmico para controlar la temperatura ambiente dentro de una zona predefinida, que comprende: por lo menos una unidad de manipulación de aire para proporcionar aire de suministro a una temperatura preseleccionada, la unidad de manipulación de aire que incluye por lo menos una etapa de unidad; un ducto de suministro para transportar el aire de suministro desde la unidad de manipulación de aire hasta una zona predefinida; por lo menos un controlador para controlar la temperatura ambiente dentro de la zona predefinida, el controlador que comprende por lo menos un circuito procesador para medir una carga térmica sensible dentro de la zona y para calcular una temperatura de punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible de acuerdo con curva de temperatura de punto de fijación de demanda térmica predefinida, y en donde el circuito procesador opera el sistema de control de temperatura a fin de mantener la etapa de unidad en una condición energizada en tanto que el sistema opera dentro de una banda de carga predefinida que corresponde a una condición de equilibrio.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la carga térmica sensible es igual a la desviación entre una temperatura del punto de fijación para dicha zona y una temperatura ambiente real para dicha zona.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica predefinida incluye una curva de calentamiento que se extiende entre un punto de fijación de demanda térmica mínima que corresponde a una salida de calentamiento mínimo y un punto de fijación de demanda térmica máxima que corresponde a una salida de calentamiento máximo e incluye también una curva de enfriamiento que se extiende entre un punto de fijación de demanda térmica mínima que corresponde a una salida de enfriamiento mínimo y un punto de fijación de demanda térmica máxima que corresponde a una salida de enfriamiento máximo.

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado porque la banda de carga predefinida incluye una región de integración superior ubicada sobre la banda de carga de operación y una región de integración inferior ubicada debajo de la banda de carga, y en donde las regiones de integración proporcionan acción de integración para sensibilidad mejorada a las señales que entran a una de las regiones de integración superior e inferior.

12. Un controlador para controlar la temperatura ambiente dentro de una zona de un sistema de control de temperatura que utiliza aire de suministro A, el aire de suministro que tiene una temperatura T, que comprende: por lo menos un procesador de circuito para medir una carga térmica sensible dentro de dicha zona y para calcular una temperatura del punto de fijación de demanda térmica en base a la carga térmica sensible de acuerdo con una curva de temperatura del punto de fijación de demanda térmica, y en donde el circuito procesador opera el sistema de control de temperatura para mantener componentes individuales en una condición de operación constante en tanto que el sistema opera dentro de una banda de carga predefinida que corresponde a una condición de equilibrio.