專利名稱：商用廚房排風風機及補風風機的節(jié)能控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及使用空氣質量傳感器，溫度傳感器，風量測量設備，和智能控制器 來控制商用廚房排風風機和空調補風風機的電機運轉速度的控制系統(tǒng)。適用于大、中型商 用廚房抽油煙排風系統(tǒng)的節(jié)能控制。
背景技術：
商業(yè)廚房常用于餐館、學校、企業(yè)食堂、酒店、醫(yī)院和零售商場等地方。這種廚房一 般都配備有一個或更多的烹飪爐灶和排風罩。商業(yè)廚房在烹飪過程中會產(chǎn)生大量的熱量和 氣體廢棄物，例如水蒸氣、油脂顆粒、煙霧和氣溶膠等。所有這些熱量和廢棄物都必須從廚 房及時排除，以避免餐飲區(qū)的室內環(huán)境污染。廚房通風至少有兩個目的(1)提供在廚房工作人員的舒適環(huán)境和(2)保證在廚 房工作人員和就餐者的安全。商業(yè)廚房通風系統(tǒng)的核心部件是抽油煙排風風機(以下簡稱排風風機)，它主要 用于去除廚房烹飪過程中產(chǎn)生的熱量和污染物以保證廚房工作環(huán)境的舒適和安全。大型商 業(yè)廚房通風系統(tǒng)通常提供了爐灶、排風罩、風管、排風風機和空調補風系統(tǒng)。排風風量設計 參照相關國家標準。在實際使用中，實際排風風量必需足夠大到可以捕獲和帶走烹飪產(chǎn)生 的熱量和氣體廢棄物。如果有一個排風風機負責多個爐灶和排風罩，排風流速是最重要的 設計因素。為避免廚房產(chǎn)生過量負壓，廚房里必需補進足夠多的室外空氣，這可能增加廚房 的能源損耗。建筑設計標準和規(guī)范要求補風達到100%的排風量。目前最理想的補風空調 裝置提供空氣調節(jié)處理過的室外新風，用于提高廚房環(huán)境舒適度。補風空調裝置可包括補 風風機，過濾器，和冷卻盤管等。在常規(guī)的商用廚房設計與控制中，排風風機通常是固定轉速。不論多少爐灶實際 在使用，不論實際排出的煙氣的溫度和濃度多少，通常排風風機的排風風量是固定不變的。 這就導致了爐灶未使用的情況下的過度排風以及造成的風機電量的浪費。如果廚房使用了 補風裝置，傳統(tǒng)設計也未考慮到補風風量的變化情況，這就造成了補風系統(tǒng)在爐灶并未滿 負荷使用情況下的風機電量和制冷制熱的浪費。為了降低在爐灶非滿負荷使用的情況下系統(tǒng)能耗，1990年的美國專利4，903，685 和6，170，480提出使用變速電機(VSD)來調節(jié)風機轉速。系統(tǒng)通過建立轉速和排風溫度的 固定線性關系來控制變速電機轉速。如果排風溫度低于某個值，風機在最低轉速工作，如果 排風溫度高于某個值，風機在最高轉速工作。這種線性控制方式一定程度上減低了風機能 耗，但是不足以提供最優(yōu)化的控制效果。外國(歐洲)專利EP 443141B1描述了一個使用超聲波發(fā)射器和一個超聲波傳感 器的控制系統(tǒng)，其中的超聲波信號變化可以反映廚房排風的煙氣濃度并用于風機速度的分 級控制。本發(fā)明的缺點之一是超聲波傳感器系統(tǒng)使用安裝較為昂貴，因此只能用于高造價 的商用廚房。[0009]中國專利申請(CN200610042692. 1和CN200620078826. 0)提出根據(jù)廚房爐具投入 運行的多少，自動調整風機的轉速，從而調整抽排風系統(tǒng)的風量、風壓。這樣的控制方式理 論上可行，可是但系統(tǒng)超過一個排風罩時，根據(jù)爐具的開關情況控制風機轉速的控制方式 不足以保證排風管道內的風速，因此無法確保在任何情況下廚房的舒適及安全環(huán)境。例如 當某個爐灶產(chǎn)生了超出標準數(shù)倍的煙霧和熱量，該系統(tǒng)無法讓風機加速到應有的速度。美國專利第7048199和7442119開發(fā)的系統(tǒng)使用利用激光束探測煙霧或蒸氣，從 而自動地控制排風風機變速器是否需要加速或減速。上述發(fā)明提高利用激光束裝置的廚房 排氣風扇控制仍有以下缺陷1)產(chǎn)品造價和安裝價格昂貴。發(fā)射裝置(激光模塊)和接收器的設備成本高。此 外，人體很可能受到激光器的傷害。2)仍使用傳統(tǒng)的線性控制模式或事先定義的曲線(風扇轉速和排氣溫度的關 系)。3)以往的發(fā)明中未涉及補風機的流量控制。廚房里是必需略微負壓條件，如果補 風機補給空氣流量超過廚房排氣風扇排風量(比如最低轉速時)，廚房里的污染物有可能 進入其他領域。
發(fā)明內容為了克服現(xiàn)有發(fā)明的使用成本和控制方法的不足，本實用新型提供一種新的方式 探測爐灶使用情況和控制排風風機及補風風機的轉速。本發(fā)明使用空氣質量(Volatile organiccompounds-揮發(fā)性有機化合物)傳感器和溫度傳感器去探測爐灶的試用情況，而 非激光設備和超聲波發(fā)射器，從而降低設備及安裝成本。空氣質量傳感器監(jiān)測空氣中的多 種氣體及帶有氣味的物質。這些物質包括廚房油煙，蒸汽和各類不適宜的氣味。相較于激 光和超聲波設備，本發(fā)明提供更安全、更容易安裝和維護的監(jiān)測與控制系統(tǒng)。此外，本發(fā)明 還可以監(jiān)測廚房里不良氣味和揮發(fā)性有機氣體，這些都是激光或超聲波裝置無法檢測的。另外，本發(fā)明使用比例積分微分(PID)回路控制，而不是傳統(tǒng)發(fā)明中用的線性控 制。PID控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù) 據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的 是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可 以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定?？梢?通過數(shù)學的方法證明，在其他控制方法導致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復的情況下，一個PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，本發(fā)明還通過在補風系統(tǒng)和排風系統(tǒng)安裝風量測量設備解決了傳統(tǒng)發(fā)明中 未涉及的補風風機控制問題。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是在排風管內安裝溫度傳感器和 空氣質量傳感器?？刂破骺梢员O(jiān)測排風的溫度和空氣質量，并控制排風機變速器轉速以滿 足排風罩內適宜的溫度和空氣質量(煙氣濃度)。當所有爐灶均未使用時，控制器會根據(jù)探 測到的排風溫度和空氣質量，將排風機變速器控制在最低速度，保證基本的排風要求。一旦 工作人員使用某個爐灶，探測到的排風的溫度和煙氣濃度升高，控制器將會提高排風機轉速以滿足溫度和空氣質量設定值。控制系統(tǒng)使用比例-積分-微分控制(PID)在最低轉速 和最高轉速之間來控制排風風機轉速以保證排風溫度和煙氣濃度永遠等于或低于設定值。 該設定值可以隨探測到的廚房溫度進行動態(tài)設定。對于有空調補風系統(tǒng)的廚房系統(tǒng)，風量 測量裝置將被安裝在排風和補風系統(tǒng)上?？刂破鲿刂蒲a風風機的變速器轉速以控制總補 風量和總排風量的差值，從而保證廚房工作區(qū)間的負壓值。本實用新型的有益效果是，可以檢測廚房煙氣溫度和濃度，并用于控制排風風機 轉速，從而達到在爐灶沒有使用的時候的節(jié)能目的，并且不會影響廚房工作區(qū)域的舒適度。 補風風機的轉速將根據(jù)送風排風量控制轉速，從而節(jié)省了風機電量和制冷的能耗損失。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是一個使用傳統(tǒng)發(fā)明的商業(yè)廚房和餐廳的樣圖。圖中121是溫度傳感器，122 是激光發(fā)射器或其他裝置，114是排風風機變速電機，115是部分空調機組的補風風機，116 是空調機組過濾器，117是空調冷卻盤管。圖2是一個應用本發(fā)明的商業(yè)廚房的排風及補風系統(tǒng)的樣圖。請參考“具體實施 方案”中對各部件詳細說明。圖3是一個應用本發(fā)明排風系統(tǒng)系統(tǒng)控制器接線和控制框圖。請參考“具體實施 方案”中對各部件詳細說明。圖4是應用本發(fā)明的排風系統(tǒng)風機轉速控制流程圖。請參考“具體實施方案”中 對各流程詳細說明。圖5是應用本發(fā)明的補風系統(tǒng)風機轉速控制流程圖。請參考“具體實施方案”中 對各流程詳細說明。
具體實施方式
圖2是一個應用本發(fā)明的商業(yè)廚房范例，它包括一個廚房烹飪區(qū)(102)和至少一 個相鄰的房間，例如就餐區(qū)(101)。廚房烹飪設備包括一個或多個爐灶或烤箱等。廚房通風 空調系統(tǒng)配備了排風風機、補風空調系統(tǒng)，以保持廚房一個適宜的室內工作環(huán)境。在食物烹飪過程中產(chǎn)生的廢棄物包括固體、液體、蒸氣、煙霧顆粒和揮發(fā)性有機化 合物(揮發(fā)性有機化合物或低碳芳烴，通常稱為廚房異味)。一個廚房排氣系統(tǒng)包括位于爐 灶或其他烹飪設備上方的排風罩010)，排風風管，和排風風機021)。當排風風機的電機 運行時，烹飪產(chǎn)生的熱量煙氣水蒸氣等副產(chǎn)品通過排風風管排出室外。排風風速必須足夠 大，以避免廢氣和廢熱進入廚房工作區(qū)域。變速器013)應安裝在排風風機的電機上(211)。溫度傳感器(221)和空氣質量 (VOC)煙氣傳感器(222)可以安裝在排風罩上或排風風管內。圖2中的傳感器021和222) 只是作為范例代表。控制系統(tǒng)(控制器220)根據(jù)實時測量的溫度和煙氣(VOC)濃度來控 制排風風機電機011)的變速器轉速013)，從而達到節(jié)能的目的。當排風溫度和煙氣濃度 低于設定值時，風機轉速會自動降低。擁有空調補風系統(tǒng)012)的商業(yè)廚房可以通過向廚房工作空間輸送新風來更好 地平衡廚房排風造成的負壓。補風風機上也應該相應的安裝變速器014)。風量測量裝置(223)可安裝在補風風機上以用于廚房工作區(qū)域的壓力控制。送排風的風量測量裝置 (223，224)將風量信號送至控制器，控制系統(tǒng)(控制器220)控制補風風機變速器014)的 轉速以保持總補風量和總排風量之間的差值。圖3描述了智能廚房排風系統(tǒng)控制器和傳感器的連接關系。這套控制系統(tǒng)包括以 微處理器為基礎的控制器(300)，用于接收通過各個傳感器的電纜321，322，323和3 傳 來的溫度、風量和煙氣濃度信號(311，312，313和314)，還用于產(chǎn)生變速器轉速的控制信號 (331和33 。該控制器可打開和關上補風和排風風機的變速器。該控制器也可以鏈接到 一個用戶人機界面，供廚房操作人員使用?？刂破鬟€可以與火災報警系統(tǒng)聯(lián)系，當控制器檢 測到煙氣溫度過高時候，可以將此信號傳遞給火災報警系統(tǒng)。圖4為更詳細的排風風機轉速控制流程圖。此圖使用一個排風罩的情況為范例。 當排氣風扇啟動G00)，排風風機在預先設定的最低轉速(401)運轉。當廚師開始烹飪或任 何爐灶打開，排風罩內的煙氣以及排風溫度可能會增加。煙氣檢測傳感器和溫度傳感器可 以立即檢測出這些變化。排風溫度和煙氣濃度是由比例-積分-微分循環(huán)控制系統(tǒng)(PID) 控制的變量。一個PID回路(402)控制排風罩溫度Gll)在設定溫度值012)。另一個的 PID(403)控制回路控制排風罩蓋煙霧(VOC)的濃度(41 在煙氣濃度設定點014)。排風 風機轉速將取這兩個PID回路輸出的高值。如果有一個以上的排風罩，排風風機轉速將取 這所有PID回路輸出的高值。圖5為更詳細的補風風機轉速控制流程圖。補風風機轉速的控制目的是通過保持 適當?shù)乃惋L量和排風量的差值以保持廚房和就餐區(qū)適當?shù)膲毫?512)。控制器將控制補風 風機變速器的速度變化以滿足補風風量的設定值(501)。補風風量的設定值(501)將會通 過測量到的排風量(500)實時變化。
權利要求1.一種商用廚房排風風機及補風風機的節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)包括溫度，空 氣質量傳感器和風量測量裝置，控制器控制排風機的變速器轉速和補風風機的變速器轉 速。
2.根據(jù)權利要求1所述的節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征是在排風罩或排風風管內安裝溫度， 空氣質量傳感器，用于監(jiān)控排風煙氣的溫度和煙氣濃度。
3.根據(jù)權利要求1所述的節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征是在排風和補風系統(tǒng)上安裝風量測量 裝置，用于測定排風風量和補風風量。
4.根據(jù)權利要求1所述的節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征是在排風風機和補風風機上均安裝變 速器ο
5.根據(jù)權利要求1所述的節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征是使用比例-積分-微分控制(PID) 來調節(jié)排風風機和補風風機變速器轉速。
專利摘要一種能夠控制廚房排風和補風風機轉速的節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括在排風管內安裝溫度傳感器和揮發(fā)性空氣質量傳感器。空氣質量傳感器可以測量空氣中的多種氣體、水蒸汽及帶有氣味的物質等(包括廚房油煙和各類不適宜的氣味)?？刂破骺梢詸z測排風的溫度和空氣質量VOC濃度來控制排風機變速器轉速以滿足排風罩內適宜的溫度和煙氣濃度。當所有爐灶均未開啟時，控制器會根據(jù)探測到的排風溫度和煙氣濃度，將排風機變速器控制在最低速度，只保證基本的排風要求。一旦工作人員使用某個爐灶，排風的溫度和VOC濃度升高，控制器將會提高排風機轉速以滿足溫度和空氣質量要求的設定值。控制器使用比例-積分-微分控制(PID)來控制排風風機轉速。對于有空調補風系統(tǒng)的廚房系統(tǒng)，風量測量裝置將被安裝在排風和補風系統(tǒng)上?？刂破鲿刂蒲a風風機的變速器轉速以控制總補風量和總排風量的差值，從而保證廚房工作區(qū)間適當?shù)呢搲褐怠?br> 文檔編號F04D27/00GK201884316SQ20102013266
公開日2011年6月29日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權日2010年3月16日
發(fā)明者劉國鵬 申請人:劉國鵬