基于流量感知的建筑節(jié)能系統(tǒng)的研究

摘 要：為有效降低校園建筑的能耗和提高用能效率，將自動監(jiān)測控制和流量感知系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計一種基于PID的模糊控制系統(tǒng)。校園為人流密集區(qū)域，各時段用能不盡相同，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下能夠提高能效。將公共區(qū)域?qū)崟r人流數(shù)量作為 PID 控制器的輸入量，通過智能優(yōu)化，實現(xiàn)最大效益的節(jié)能。

關(guān)鍵詞：流量感知；能耗監(jiān)測；節(jié)能策略

中圖分類號：TU201.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0112-02

0 引言

目前大部分校園建筑內(nèi)的空調(diào)均采用全天候恒溫控制，未使用具有能耗監(jiān)測功能的自動管理系統(tǒng)，無法實現(xiàn)合理用能。對于建筑內(nèi)人員流量的變化也未進(jìn)行有效控制，無法在不同人員流量下調(diào)整空調(diào)使用頻率，造成了能源浪費。為降低空調(diào)能耗，提高能源利用率，將自動監(jiān)測控制和流量感知系統(tǒng)相結(jié)合，筆者設(shè)計一種基于PID的模糊控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)針對不同時間段、不同區(qū)域，進(jìn)行人員動態(tài)監(jiān)測，針對人員的實時數(shù)量，來優(yōu)化空調(diào)的開啟和關(guān)閉時間，實現(xiàn)最大化的節(jié)能措施。

1 校園建筑主要熱負(fù)荷來源

校園建筑屬于人員密集區(qū)，環(huán)境熱負(fù)荷變化繁復(fù)且具有不確定性。教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)通風(fēng)空調(diào)的溫控調(diào)整缺乏智能化，同時不科學(xué)的送風(fēng)方式會使建筑內(nèi)的空氣流動不穩(wěn)定，溫度出現(xiàn)不均勻變化。因此，要針對校園內(nèi)部熱負(fù)荷非線性的時間變化特性，建立一套智能化控制系統(tǒng)。

校園建筑熱負(fù)荷主要由人體熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、天氣變化負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、管道接口滲透負(fù)荷等組成。在人員密度較高的時間段，人體熱負(fù)荷可達(dá)建筑內(nèi)總負(fù)荷的65%左右。因此，建筑內(nèi)人體熱負(fù)荷是影響建筑空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的主要因素之一。人流量識別系統(tǒng)可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)校園體系的特點搭建仿真模型，運用模擬軟件對不同時間段的人員變化進(jìn)行仿真模擬，智能化指導(dǎo)制冷系統(tǒng)和變頻調(diào)速系統(tǒng)的變化[1]。

2 校園建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的組成及功能

2.1 校園通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要由4個系統(tǒng)組成：①校園公共區(qū)域系統(tǒng)，其功能為校園建筑的通風(fēng)量和溫濕度控制。②輔助環(huán)境控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)輔助采集建筑周邊環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效控制。③水控制系統(tǒng)，用于控制上述兩個系統(tǒng)的冷水供應(yīng)。④隧道通風(fēng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)教室、辦公室、實驗室內(nèi)的溫濕度及空氣的調(diào)控[2]。

2.2 現(xiàn)有校園通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的功能

校園公共區(qū)域呈現(xiàn)熱值高且集中的特點，熱量來源有人群密集散發(fā)的熱量、空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)交換產(chǎn)生的熱量、教學(xué)實驗設(shè)備產(chǎn)生的熱量等。這些熱量使局部區(qū)域內(nèi)熱量快速升高，為現(xiàn)場人員帶來不舒適的感覺。因此，為保證教學(xué)場所的舒適程度，不僅需要通風(fēng)系統(tǒng)的平穩(wěn)交換，還需要制冷機組來減少熱負(fù)荷值。

校園建筑中還存在一些特定區(qū)域，如計算機房、設(shè)備機房、特定實驗場所等，這些封閉的環(huán)境產(chǎn)生的熱能比較難散出。因此，為保證設(shè)備的平穩(wěn)運行及教學(xué)適宜度，需要安裝單獨的散熱降溫系統(tǒng)。

水控制系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)、輸送分配管網(wǎng)等。受運行條件的影響，其能耗有室內(nèi)負(fù)荷、室外環(huán)境參數(shù)、冷卻水溫度等方面，需要冷水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合才能達(dá)到降耗的作用[3]。

建筑通風(fēng)系統(tǒng)主要組成部分包括室內(nèi)風(fēng)道、樓門出入口通風(fēng)機、迂回風(fēng)道、實驗室通風(fēng)口等，用于將建筑內(nèi)溫度保持在一個合理的范圍[4]。

3 人員流動產(chǎn)生的熱量和濕度計算

大量人員在教學(xué)場所長時間駐留，會產(chǎn)生大量的熱量和濕度負(fù)荷，而教學(xué)建筑內(nèi)人口密度的特殊性，上課期間、課間及學(xué)生就餐期間會產(chǎn)生不同的熱量和濕度負(fù)荷。此時可通過人流量識別系統(tǒng)進(jìn)行實時統(tǒng)計，對不同時間段人員數(shù)量統(tǒng)計后，即可計算在此區(qū)域內(nèi)的人員散熱和散濕量，可依據(jù)公式（1）、（2）來進(jìn)行計算。

Mc = ρGcmc+ρGpmp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Mc為人員實時散熱負(fù)荷，單位是W；mc為建筑內(nèi)人流散熱負(fù)荷，單位是W/人；mp為建筑內(nèi)人流散熱指標(biāo)，單位是W/人；ρ為群集系數(shù)，取 0.8[5]。

Kc = ρGckc+ρGpkp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中： Kc為人員實時散濕負(fù)荷，單位是W；kc為建筑內(nèi)人流散濕負(fù)荷，單位是W/人；kp為建筑內(nèi)人流散濕指標(biāo)，單位是W/人；ρ為群集系數(shù)，取 0.8[6]。

人流的總散熱能力包括顯熱和潛熱散熱量，可以依據(jù)時間節(jié)點來進(jìn)行計算。

4 校園建筑節(jié)能的控制措施

4.1 校園能耗控制措施

校園能耗控制主要在于實現(xiàn)實時監(jiān)測師生數(shù)量及流動方向。利用傳感器感知模塊，將現(xiàn)場圖像信息經(jīng)過計算后轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送至中央控制模塊[7]，人流量感知系統(tǒng)運行模式如圖1。

利用流量感知模塊，通過圖像全方位采集人員行動信息，同時對采集的圖像信息進(jìn)行識別、解析，以獲得該區(qū)域內(nèi)人員變化的數(shù)量信息和流量信息。

通過數(shù)據(jù)分析模塊，對流量感知模塊采集的人員流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算出相應(yīng)的熱負(fù)荷需求量以及新風(fēng)需求量，并將其所對應(yīng)的時間、溫度和濕度等信息儲存，交給中央處理模塊來調(diào)控各個機組。中央控制模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊所提供的人流及新風(fēng)熱負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和計算，優(yōu)化空調(diào)機組及相關(guān)設(shè)備的運行，從而實現(xiàn)最大節(jié)能效果[8]。

數(shù)據(jù)反饋模塊采用多傳感器系統(tǒng)，在傳感器的選擇上，其精度與測量范圍對采集信號的穩(wěn)定性和傳輸?shù)木珳?zhǔn)性結(jié)果有很大影響。多傳感監(jiān)測器系統(tǒng)由傳感器套件、報警線路、LCD顯示及電源模塊組成，監(jiān)測器結(jié)合了無線通信和ARM Cortex-M0處理器、環(huán)境傳感器、陀螺儀、加速度計等硬件模塊，進(jìn)行實時監(jiān)測[9]。

4.2 全系統(tǒng)控制措施

系統(tǒng)控制措施采用常規(guī)的模糊 PID控制，即在系統(tǒng)運行中，將公共區(qū)域?qū)崟r采集的人員流量作為PID控制器的輸入量，將數(shù)據(jù)分析后得到對應(yīng)的通風(fēng)量和制冷量，再經(jīng)過中央控制器進(jìn)行智能優(yōu)化，發(fā)布調(diào)控指令，將公共區(qū)域內(nèi)的溫度維持在合理范圍。

4.3 控制過程

當(dāng)公共區(qū)域內(nèi)人流量產(chǎn)生變化時，傳感器終端得到有關(guān)數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中控節(jié)點，供回水溫度、流量、壓差也隨之產(chǎn)生變化。再將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制器，中央控制器根據(jù)實時數(shù)據(jù)及過往運行數(shù)據(jù)，計算出空調(diào)末端實際需求的制冷量，并以此來調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率。同時調(diào)整冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變閥門，使得整個系統(tǒng)運行在中央控制器的優(yōu)化狀態(tài)下[10]。

通過 PID 模糊控制策略，不斷調(diào)節(jié)制冷機組、通風(fēng)風(fēng)機、水泵等設(shè)備，進(jìn)行變頻運行，按照公共區(qū)域內(nèi)人流的變化來改變設(shè)備的運行頻率，實現(xiàn)全方位節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[1] 方俊，袁宏永，趙建華.氣體傳感器在火災(zāi)探測中的應(yīng)用[J].火災(zāi)科學(xué)，2002（7）：180-185.

[2] 鄒磊，陳偉利，王亞娟，葉冠龍.智能節(jié)能控制系統(tǒng)管理軟件功能的設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（24）：193-194.

[3] 褚治廣，李剛，張興.基于多維度控制的酒店節(jié)能系統(tǒng)[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021（2）：15-18.

[4] 張翠平，豐永.多傳感器組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016，35（12）：1726-1728.

[5] 王旭東.通訊技術(shù)在校園能源管理系統(tǒng)中的設(shè)計及應(yīng)用[J].中國化工教育，2013（11）：94-94.

[6] 崔偉強.基于人流量感知的地鐵站空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)研究[D].上海：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2020.

[7] 周浩東等.基于Wifi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（5）：99-105.

[8] 王旭東.基于WiFi的校園建筑消防系統(tǒng)設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2017，35（11）：1560-1562.

[9] 喬國娜.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2016（9）：145-147.

[10] 劉慶，張認(rèn)成，劉二麗.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的樓宇火災(zāi)探測系統(tǒng)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2010，29（12）：1092-1094.