基于體感溫度的智能樓宇控制系統(tǒng)

郭 慶, 侯曉靜

[1.霍尼韋爾(天津)有限公司, 天津 300450;2.天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系, 天津 300400]

0 引 言

在暖通空調(diào)領(lǐng)域,特別是集中供暖系統(tǒng)中,最主要的目的是通過(guò)調(diào)節(jié)供暖量控制建筑物的溫度,使用戶(hù)工作、生活在舒適的室內(nèi)環(huán)境。供暖量受室外天氣、建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)等多方面的影響,調(diào)節(jié)非常復(fù)雜。以北方城鎮(zhèn)普遍采用的集中供暖系統(tǒng)為例,絕大多數(shù)公建、住宅內(nèi)沒(méi)有熱量調(diào)節(jié)裝置,進(jìn)入建筑物內(nèi)的熱量由熱力公司統(tǒng)一調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)方法主要依靠熱力站的供、回水溫度以及室外溫度等測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié),沒(méi)有形成有效的調(diào)節(jié)機(jī)制[1]。

同時(shí),也存在用戶(hù)端缺乏熱舒適度反饋信息的問(wèn)題,主要原因有兩個(gè)方面:室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)不足,若安裝足夠多,則測(cè)點(diǎn)成本高;安裝條件和人為因素等原因,室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)不能準(zhǔn)確地反映用戶(hù)的熱舒適度。因此,由于缺乏用戶(hù)的有效反饋,使供熱量的調(diào)節(jié)實(shí)際處于一種開(kāi)環(huán)控制狀態(tài),導(dǎo)致熱力公司不能更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)供熱量,造成供熱效果差、投訴率高、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題,并產(chǎn)生一系列社會(huì)問(wèn)題。如果能夠以一種低成本方式獲得足夠多用戶(hù)的熱舒適度信息,并將這些信息進(jìn)行分類(lèi)處理,及時(shí)反饋給熱力公司操作人員,則可以對(duì)供熱量進(jìn)行更精細(xì)化的調(diào)節(jié),提高供熱品質(zhì),產(chǎn)生節(jié)能減排效益。同樣,該方法對(duì)集中供冷系統(tǒng)也會(huì)起到同樣的效果[2]。

1 群智感知模型

群智感知模型如圖1所示。群智感知是基于無(wú)線傳感網(wǎng)相關(guān)概念發(fā)展起來(lái)的,通過(guò)發(fā)揮人多力量大的優(yōu)勢(shì),將原來(lái)需要大量傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)變換成用戶(hù)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù),用戶(hù)本身就成為傳感網(wǎng)中的特殊“測(cè)量節(jié)點(diǎn)”。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、智能手機(jī)、智能終端設(shè)備的普及,結(jié)合一定的激勵(lì)制度便可以獲得大量的有效數(shù)據(jù),然后從這些數(shù)據(jù)中提取出有用的信息加以利用。

體感溫度是人們直接感受的溫度,受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射度等多方面的影響,比單純的環(huán)境溫度更能反映環(huán)境的舒適度。因此,要研發(fā)一種能夠通過(guò)用戶(hù)反饋的體感信息所實(shí)現(xiàn)的基于閉環(huán)反饋原理的智能樓宇控制系統(tǒng),以解決上述所說(shuō)的問(wèn)題。

圖1 群智感知模型

體感溫度等級(jí)具有對(duì)應(yīng)的溫度取值范圍,需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。以該體感溫度等級(jí)的溫度取值范圍所包含的各溫度均值作為取值依據(jù)或者設(shè)置隨機(jī)分配模型,以按照所述的溫度取值范圍隨機(jī)分配溫度取值,如體感溫度等級(jí)為熱時(shí),其對(duì)應(yīng)的范圍為30～36 ℃,如體感溫度等級(jí)為極熱時(shí),其對(duì)應(yīng)的溫度大于37 ℃,則可以設(shè)定分配限制,即僅為37 ℃;如體感溫度等級(jí)為極冷時(shí),其對(duì)應(yīng)的溫度小于-3 ℃,則可以設(shè)定分配限制,即僅為-3 ℃。根據(jù)不同溫度設(shè)定與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,然后進(jìn)行相應(yīng)控制[3]。

2 智能樓宇系統(tǒng)

基于體感溫度的智能樓宇控制系統(tǒng)框圖如圖2所示,包括多個(gè)數(shù)據(jù)采集端。各數(shù)據(jù)采集端分布于樓宇內(nèi)不同數(shù)據(jù)采集點(diǎn),用于采集所在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)以及體感溫度數(shù)據(jù),其中體感溫度數(shù)據(jù)由樓宇內(nèi)的用戶(hù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集端預(yù)載入的應(yīng)用模塊進(jìn)行輸入設(shè)定;對(duì)數(shù)據(jù)采集端所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)匯總,以生成匯總數(shù)據(jù),并通過(guò)信息解釋器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器;基于匯總數(shù)據(jù)生成房間舒適度模型,并下發(fā)控制決策到信息解釋器;依據(jù)控制決策,調(diào)節(jié)樓宇供熱/冷閥門(mén)的智能樓宇控制器。其中,溫度傳感器(PT100溫度傳感器)用于采集所在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值,移動(dòng)端通過(guò)應(yīng)用模塊為用戶(hù)提供輸入界面,并采集用戶(hù)所輸入的體感溫度數(shù)據(jù)。優(yōu)選的移動(dòng)端如手機(jī)、移動(dòng)電腦等激勵(lì)用戶(hù)利用該移動(dòng)端采集其體感溫度信息而共同輔助樓宇供熱調(diào)節(jié),并協(xié)同溫度數(shù)據(jù)將采集的樓宇供熱量數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)端和無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

圖2 基于體感溫度的智能樓宇控制系統(tǒng)框圖

體感溫度采集有以下3種方案:

(1) 方案一為基于微信的公眾號(hào)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Web應(yīng)用程序。通過(guò)響應(yīng)自定義菜單按鈕事件來(lái)獲取移動(dòng)用戶(hù)的用戶(hù)ID、體感溫度等級(jí)、上傳時(shí)間、位置信息。

(2) 方案二是基于移動(dòng)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序。用戶(hù)打開(kāi)應(yīng)用程序后,通過(guò)選擇選項(xiàng)的方式上傳體感溫度、上傳時(shí)間、位置信息、用戶(hù)ID等信息。

(3) 方案三是支持移動(dòng)端的Web應(yīng)用程序。用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)端的瀏覽器訪問(wèn)網(wǎng)站,上傳體感溫度、上傳時(shí)間、位置信息、用戶(hù)ID等信息?；跒g覽器的應(yīng)用程序界面如圖3所示,遠(yuǎn)程服務(wù)器首先將溫度傳感器采集的室內(nèi)溫度數(shù)字信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,其次將體感溫度的等級(jí)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,并與傳感器采集室內(nèi)溫度值比較,最終決策出樓宇內(nèi)的平均供熱溫度即為參考調(diào)控溫度,服務(wù)器將最終決策的參考調(diào)控溫度值發(fā)送到樓宇控制器[4-6]。

圖3 基于瀏覽器的應(yīng)用程序界面

設(shè)計(jì)通過(guò)將用戶(hù)體感溫度、樓宇溫度數(shù)據(jù)與樓宇供熱量調(diào)節(jié)進(jìn)行良好的結(jié)合,構(gòu)成閉環(huán)反饋機(jī)制,提高供熱品質(zhì),節(jié)約資源。

3 基于體感溫度的智能樓宇系統(tǒng)特征

(1) 多個(gè)數(shù)據(jù)采集端,各數(shù)據(jù)采集端分布于樓宇內(nèi)不同數(shù)據(jù)采集點(diǎn),用于采集對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)以及體感溫度數(shù)據(jù),其中體感溫度數(shù)據(jù)由樓宇內(nèi)的用戶(hù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集端預(yù)載入的應(yīng)用模塊進(jìn)行輸入設(shè)定;對(duì)數(shù)據(jù)采集端所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)匯總,以生成匯總數(shù)據(jù),并通過(guò)信息解釋器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器;匯總數(shù)據(jù)生成房間舒適度模型,并下發(fā)控制決策到信息解釋器;依據(jù)控制決策,調(diào)節(jié)樓宇供熱/冷閥門(mén)的智能樓宇控制器。

(2) 數(shù)據(jù)采集端至少具有溫度傳感器以及預(yù)載入應(yīng)用模塊的移動(dòng)端,其中溫度傳感器用于采集所在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值,移動(dòng)端用于通過(guò)應(yīng)用模塊為用戶(hù)提供輸入界面,并采集用戶(hù)所輸入的體感溫度數(shù)據(jù)。

(3) 輸入界面為用戶(hù)提供若干體感溫度等級(jí)選項(xiàng),各體感溫度等級(jí)選項(xiàng)以不同體感溫度范圍進(jìn)行劃定,即在數(shù)據(jù)采集端的體感溫度數(shù)據(jù)為體感溫度等級(jí)數(shù)據(jù)。體感溫度等級(jí)通過(guò)移動(dòng)端(手機(jī)、移動(dòng)電腦等)的應(yīng)用程序獲取體感溫度數(shù)據(jù),其中體感溫度根據(jù)人體感覺(jué)分為極熱、熱、暖熱、溫?zé)帷⑹孢m、涼爽、涼、冷、很冷9個(gè)模糊等級(jí),用戶(hù)將自身感覺(jué)的體感溫度信息通過(guò)移動(dòng)端將信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器,進(jìn)而將數(shù)據(jù)按照時(shí)間、位置、用戶(hù)ID等信息進(jìn)行分類(lèi)。體感溫度等級(jí)如表1所示。

表1 體感溫度等級(jí)

(4) 遠(yuǎn)程服務(wù)器在所設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)將來(lái)自同一數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包,以完成分類(lèi)匯總過(guò)程。

(5) 信息解釋器自數(shù)據(jù)包提取出體感溫度等級(jí)數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)化為體感溫度數(shù)據(jù)后,基于所轉(zhuǎn)化的體感溫度數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)包中的溫度數(shù)據(jù)生成房間舒適度模型,以計(jì)算樓宇對(duì)應(yīng)的參考調(diào)控溫度;其中房間舒適度模型用于計(jì)算各所轉(zhuǎn)化的體感溫度數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)包中的各溫度數(shù)據(jù)的平均溫度值(即參考調(diào)控溫度)。

(6) 智能樓宇控制器用于比較參考調(diào)控溫度與控制器設(shè)定值,并依據(jù)比較情況調(diào)節(jié)樓宇內(nèi)供熱/冷閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),以完成對(duì)樓宇溫度的智能調(diào)節(jié)。

(7) 智能樓宇控制器通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊DTU接收反饋的信息。

(8) 數(shù)據(jù)采集端通過(guò)位于采集點(diǎn)的溫度傳感器測(cè)量樓宇內(nèi)實(shí)際的溫度數(shù)據(jù),再利用DTU無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

(9) 智能樓宇控制器由PLC模塊單元、MCGS組態(tài)單元以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)單元DTU組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的比較處理以及對(duì)供熱/冷閥門(mén)的控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了基于閉環(huán)反饋原理設(shè)置的智能樓宇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。智能樓宇控制器用于比較參考調(diào)控溫度與控制器設(shè)定值,并依據(jù)比較情況調(diào)節(jié)樓宇內(nèi)供熱/冷閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇溫度的智能調(diào)節(jié);控制器通過(guò)DTU接收到信息解釋器的溫度信息,比較后對(duì)樓宇閥門(mén)做出智能決策。智能控制器通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接收信息解釋器的溫度平均值,并將該值與控制器中的設(shè)定值進(jìn)行比較,如果所測(cè)溫度大于設(shè)定值,控制器控制樓宇溫度控制閥關(guān)閉,反之,控制閥打開(kāi),實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)調(diào)節(jié);溫度、流量等傳感器及閥門(mén)信號(hào)輸入到PLC中,然后PLC與觸摸屏通過(guò)RS-485通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,并將部分信息顯示出,觸摸屏上需要遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)RS-232利用DTU模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸,將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器端,同時(shí)也可以接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的信息。