基于物聯(lián)網(wǎng)的地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制

李翠環(huán)

（蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

日常生活中，人們的大部分時間是在室內(nèi)，如果室內(nèi)通風(fēng)效果較差，會直接影響室內(nèi)的空氣質(zhì)量，間接影響人們的身體健康[1]。隨著人們生活水平的不斷提升，對生活品質(zhì)的要求也越來越高，對身體健康的關(guān)注度也越來越高[2]。地暖是常用的室內(nèi)取暖方式，但地暖會加快室內(nèi)污染物的釋放速度，降低室內(nèi)空氣質(zhì)量；并且冬季室內(nèi)密閉性較好，導(dǎo)致污染物無法快速排出室內(nèi)，進而影響人們的身體健康[3]。在建筑內(nèi)安裝新風(fēng)系統(tǒng)，可在室內(nèi)引入新風(fēng)，及時排除室內(nèi)的污染物，實現(xiàn)室內(nèi)的通風(fēng)換氣，提升室內(nèi)的空氣質(zhì)量。在建筑內(nèi)安裝地暖與新風(fēng)系統(tǒng)，既可以保證室內(nèi)具有較高的溫度，還可以確保室內(nèi)空氣質(zhì)量不受影響，及時排除污染物[4]。但地暖與新風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)溫度，改善空氣質(zhì)量，提升室內(nèi)環(huán)境的舒適性，但其能耗較高，無法根據(jù)室內(nèi)人員的分布情況，動態(tài)控制地暖與新風(fēng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)具備較高的外界信息感知精度，能夠最大限度了解建筑的能耗情況，并按照建筑能耗特點，控制地暖+新風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)約能源[5-6]。為此，本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制方法，以達到節(jié)約能源的目的。

1 地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制

為實現(xiàn)對地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，設(shè)計地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制方法，技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

感知層內(nèi)包含溫度傳感器與紅外探測器，利用溫度傳感器采集室內(nèi)空氣的溫度值；通過紅外探測器感知室內(nèi)的人流量情況。感知層的主要功能是采集室內(nèi)的環(huán)境信息，為節(jié)能控制器制定控制決策提供數(shù)據(jù)支持[7]。

控制層中的節(jié)能控制器根據(jù)感知層采集的室內(nèi)溫度信息以及人流量情況，以熱舒適指標為控制目標，制定節(jié)能控制策略，實現(xiàn)對地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的自動節(jié)能控制功能，節(jié)能控制內(nèi)容為地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的啟停、溫度升降與風(fēng)速大小等。

網(wǎng)絡(luò)層屬于應(yīng)用層與控制層間的橋梁，通過TCP 協(xié)議將控制層的控制策略傳輸至應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層中包含2 種通信方式，分別是通信接口的有線傳輸方式[8]和WSN 的無線傳輸方式。結(jié)合2 種傳輸方式各自的優(yōu)點，提升信息傳輸效果[9]。

應(yīng)用層中地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能管理中心，接收經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)牡嘏?新風(fēng)系統(tǒng)控制策略后，可實時呈現(xiàn)地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制效果，便于用戶隨時遠程操控地暖+新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備。

1.1 地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的熱舒適指標

控制層中節(jié)能控制器利用預(yù)測平均投票模型（Predicted Mean Vote, PMV），衡量人體凈熱量和室內(nèi)環(huán)境熱平衡的關(guān)系，即熱舒適指標。PMV 的影響因素包含溫度、風(fēng)速與人體活動量等[10]。將PMV 作為地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制目標，既能降低地暖+新風(fēng)系統(tǒng)能耗，還能確保室內(nèi)溫度與風(fēng)速維持在舒適范圍內(nèi)。PMV 的計算公式如下：

式中：L為人體新陳代謝量；Pa為水蒸氣分壓；W為外界對人體影響的能量；ta為室內(nèi)溫度；kc1為衣物面料系數(shù)；tc1為衣服表面溫度；tr為輻射溫度；hc為人體與室內(nèi)控制的對流熱損失系數(shù)。其中L與W由感知層的紅外探測器采集得到；ta與tr由感知層的溫度傳感器采集得到。

1.2 地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略

控制層中節(jié)能控制器以PMV 與PPD 為控制目標，制定地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略，具體步驟如下：

步驟1：令通過飽和人數(shù)的10%為Z；感知層的紅外探測器感知室內(nèi)人員分布情況，設(shè)置人員模式。在人員數(shù)量N小于Z時，人員模式設(shè)置成A，不采用節(jié)能控制策略；在N大于Z時，人員模式設(shè)置成B，采用節(jié)能控制策略。

步驟2：按照人員模式選擇地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的運行模式，在人員模式是A 的情況下，運行模式是完全依賴地暖+新風(fēng)系統(tǒng)自身實施溫度與風(fēng)速控制；在人員模式是B 的情況下，按照感知層感知的室內(nèi)溫度，進一步確定地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的運行模式。

步驟3：在-11或PMV<-1的情況下，按照設(shè)定溫度與風(fēng)速，調(diào)節(jié)地暖+新風(fēng)系統(tǒng)；在PMV>1 的情況下，選擇降溫降速模式的節(jié)能控制程序；在PMV<-1 的情況下，選擇升溫升速模式的節(jié)能控制程序。

步驟4：如果節(jié)能控制器接收到來自應(yīng)用層的控制指令，則優(yōu)先執(zhí)行該指令；如果未接收控制指令，則循環(huán)節(jié)點控制器的節(jié)能控制策略。

2 實驗分析

以某三室住宅為實驗對象，該住宅位于寒冷地區(qū)，采暖方式為地暖系統(tǒng)，同時該住宅建筑中具有新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口4 個，排風(fēng)口4 個。將該住宅的室內(nèi)溫度設(shè)定為20 ℃，風(fēng)口風(fēng)速設(shè)定在0.5 ～0.2 m/s 之間，以確保人體舒適度較優(yōu)，且室內(nèi)污染物排出效果較優(yōu)。利用本文方法對該住宅的地暖+新風(fēng)系統(tǒng)進行節(jié)能控制，驗證本文方法的節(jié)能控制效果。

室內(nèi)初始溫度是5 ℃，利用本文方法對該地暖+新風(fēng)系統(tǒng)進行節(jié)能控制，連續(xù)控制3 天，將室內(nèi)溫度控制在20 ℃左右。溫度控制結(jié)果如圖2 所示。

圖2 溫度控制結(jié)果

由圖2 可知，本文方法可有效節(jié)能控制地暖+新風(fēng)系統(tǒng)，確保室內(nèi)溫度始終維持在20 ℃左右，且在連續(xù)控制的3 天測試期間，均在3 s 左右將室內(nèi)溫度控制在指定溫度附近。經(jīng)過本文方法控制后，該住宅室內(nèi)溫度的波動幅度較小，可確保室內(nèi)溫度始終維持在較為舒適的范圍內(nèi)。實驗證明，本文方法可快速節(jié)能控制地暖+新風(fēng)系統(tǒng)，令室內(nèi)溫度迅速達到指定溫度附近。

利用本文方法對該地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速進行節(jié)能控制，風(fēng)速控制結(jié)果如圖3 所示，共分析3 個位置的風(fēng)速，分別是人體腳部位置、人體靜坐高度、人體站立高度。

圖3 不同位置處的風(fēng)速控制結(jié)果

由圖3 可知，人體腳部位置處，風(fēng)速略高于其余2 個位置，最大風(fēng)速在0.4 m/s 左右，未超過0.5 m/s，說明該位置的風(fēng)速不會影響室內(nèi)人員的舒適度；人體靜坐高度處，最大風(fēng)速在0.25 m/s 左右，未低于0.2 m/s，說明該位置的風(fēng)速不會影響室內(nèi)污染物的排出；人體站立高度處，最大風(fēng)速在0.23 m/s左右，與人體靜坐高度處的風(fēng)速相差較小，未低于0.2 m/s，說明該位置的風(fēng)速也不會影響室內(nèi)污染物的排出。綜合分析可知，本文方法可有效控制地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速，既不影響人體的舒適度，又利于室內(nèi)污染物排出，具備較優(yōu)的節(jié)能控制效果。

分析經(jīng)過本文方法節(jié)能控制前后該地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的能耗變化情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 采用本文方法節(jié)能控制前后能耗變化情況

由圖4 可知，經(jīng)過本文方法節(jié)能控制后，不同時間段的地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的能耗，均顯著低于本文方法控制前，控制前的最高能耗在190 kW 左右，控制后的最高能耗在140 kW左右。實驗證明，應(yīng)用本文方法可有效降低地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的能耗，達到節(jié)約能源的目的。

3 結(jié) 語

地暖是寒冷地區(qū)的主要采暖方式，在建筑中安裝新風(fēng)系統(tǒng)可有效解決因地暖導(dǎo)致的室內(nèi)空氣質(zhì)量差的問題。隨著地暖+新風(fēng)系統(tǒng)的不斷普及，建筑物能耗不斷提升。為此，本文研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的地暖+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制方法，達到了降低地暖+新風(fēng)系統(tǒng)能耗的目的。