人員負荷視覺動態(tài)估計的熱不均勻空間溫度分區(qū)補償控制方法*

孟月波 普慧杰 范凱興,2 劉光輝 段中興

(1.西安建筑科技大學,西安;2.西安航天神州建筑設(shè)計院有限公司,西安)

0 引言

建筑能耗約占全球能耗的40%,而空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑總能耗的50%[1]。因此,在保證人員舒適的前提下,提高空調(diào)系統(tǒng)運行能效,是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。

由于公共建筑內(nèi)人員流動性復雜、空氣熱慣性大,導致傳感器不能及時感知公共建筑內(nèi)負荷的變化、系統(tǒng)響應滯后、人員熱不舒適。為了使室內(nèi)人員負荷的變化與空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)相匹配,文獻[2-3]采用離線方式優(yōu)化了溫度傳感器的設(shè)置位置,以最小化空調(diào)系統(tǒng)的送風量。但由于這種方法不能實時地將人員負荷的動態(tài)變化與傳感器位置相匹配,導致系統(tǒng)調(diào)控性能不佳。隨著計算機視覺技術(shù)的進步,研究者采用基于視覺的人員檢測方法捕獲室內(nèi)的實時占用信息,并將人員負荷的實時變化用于空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控[4-5]。文獻[6-7]提出將基于視覺的人員檢測方法與熱舒適相結(jié)合,以優(yōu)化恒溫器的溫度設(shè)定值。Meng等人開發(fā)了一種實時估計方法來檢測室內(nèi)人員數(shù)量,并根據(jù)室內(nèi)人員負荷計算空調(diào)系統(tǒng)的冷卻補償量,提前調(diào)整了空調(diào)的供冷量[8]。Choi等人開發(fā)了基于視覺的占用檢測方法,并將其用于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定溫度和室外新風量的控制中[9]。將室內(nèi)占用信息反映到空調(diào)系統(tǒng)的控制中,可以提高室內(nèi)人員的舒適度、系統(tǒng)的響應速度,降低系統(tǒng)的能耗,采用視覺的占用檢測方法能夠有效地感知室內(nèi)人員信息及人員的空間分布。但由于室內(nèi)不同區(qū)域的人員可能存在不同的在室時間、活動強度,因此,室內(nèi)往往存在不均勻的溫度分布、較高的熱不滿意率。而傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)控制方法通常是將調(diào)控區(qū)域視為具有均勻溫度分布的一個節(jié)點,對于熱不均勻空間,此種單區(qū)域控制模式將會導致室內(nèi)熱環(huán)境過冷或過熱。

在熱舒適和能效方面,采用區(qū)域模型[10-11]的多區(qū)域控制模式優(yōu)于單區(qū)域控制模式。在多區(qū)域控制模式下,室內(nèi)空間被劃分為多個區(qū)域,可實現(xiàn)對每個分區(qū)的單獨調(diào)控[12],在提高室內(nèi)人員舒適性的同時達到節(jié)能的效果。Shan等人通過采用離線方式設(shè)定3組區(qū)域溫度設(shè)定值策略確定了每個區(qū)域的最佳設(shè)定溫度,以達到均勻的室內(nèi)溫度分布,但該方案并未考慮區(qū)域人員負荷的動態(tài)變化[13]。Zhou等人提出根據(jù)區(qū)域負荷變化動態(tài)調(diào)整區(qū)域溫度設(shè)定值的分區(qū)溫度控制方法,以緩解室內(nèi)空間的過冷/過熱現(xiàn)象[12]。Zhou等人提出根據(jù)區(qū)域的負荷變化調(diào)控區(qū)域變風量箱的供風量,但該控制方法靠手動實現(xiàn),并不能很好地應用到實際空調(diào)系統(tǒng)的控制中[14]。Wang等人提出根據(jù)區(qū)域的人員數(shù)量及熱舒適性來優(yōu)化區(qū)域的送風量,但該策略的室內(nèi)冷負荷是通過對所有分區(qū)的負荷進行線性相加來估計的,而在實際中,來自多個通風口的氣流將通過非線性傳熱過程相互干擾[15]。以上研究表明,基于分區(qū)的空調(diào)控制策略能將人員負荷分布與區(qū)域的空調(diào)控制相匹配,但由于變風量空調(diào)系統(tǒng)具有大滯后性,室溫響應滯后于空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)動作的變化,造成整個空間調(diào)節(jié)能力有限,調(diào)節(jié)不精準。

本文將基于視覺的人員檢測方法與多區(qū)域控制方式相結(jié)合以解決空調(diào)系統(tǒng)的大滯后問題,提出人員負荷視覺動態(tài)估計的熱不均勻空間溫度分區(qū)補償控制方法。首先,設(shè)計室內(nèi)人員計數(shù)與定位模型,采用相機標定法和幾何校正法完成室內(nèi)人員定位,明確人員的空間分布位置,采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的端到端人員計數(shù)模型實時檢測各區(qū)域的人員數(shù)量,計算區(qū)域負荷的實時變化。其次,設(shè)計分區(qū)采用主從補償控制策略,從控制模塊以主控制模塊輸出為輸入,在調(diào)節(jié)建筑空間總風量的基礎(chǔ)上采用開環(huán)控制調(diào)節(jié)各區(qū)域風量,改善室溫響應滯后情況;主控制模塊由多個區(qū)域溫度控制回路構(gòu)成,根據(jù)人員負荷變化估計室內(nèi)溫度變化趨勢,通過區(qū)域補償運算提高所需供冷量的預測能力。最后,對小型辦公建筑和大型活動中心建筑進行仿真實驗,討論了基于區(qū)域負荷動態(tài)估計的分區(qū)主從補償控制策略的有效性和可行性。

1 熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控方法

本文研究對象為變風量空調(diào)系統(tǒng),熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控方法適用于空調(diào)末端,結(jié)構(gòu)如圖1所示。將建筑空間劃分為M個(圖1中為9個)具有相同尺寸的區(qū)域,每個區(qū)域zi(i=1,2,…,M)各布置1個溫度控制器及溫度傳感器,除總風量控制器外,各子區(qū)域均設(shè)置1個區(qū)域風量控制器與風閥。

圖1 熱不均勻空間溫度分區(qū)補償調(diào)控系統(tǒng)圖

首先通過攝像頭采集室內(nèi)圖像信息,通過相機標定與幾何校正,明確人員的空間位置分布,利用快速準確的人頭檢測模型FCHD[16]檢測各區(qū)域的人員數(shù)量,計算區(qū)域人員負荷的實時變化;然后根據(jù)各區(qū)域的實時負荷變化獲取系統(tǒng)總風量及各區(qū)域所需風量,并以此調(diào)控系統(tǒng)總風閥及各子區(qū)域風閥的開度,實現(xiàn)對區(qū)域溫度的調(diào)控。

1.1 人員負荷實時估計方法

人員負荷的實時估計是實現(xiàn)熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控的前提,基于計算機視覺和深度學習的方法可以有效實現(xiàn)室內(nèi)人員數(shù)量的實時檢測。計算機視覺系統(tǒng)從攝像機捕獲的圖像中獲取室內(nèi)人員的分布,為了明確空間中人員的幾何位置與其在攝像機圖像中的對應位置之間的相互關(guān)系,采用張正友標定法[17]實現(xiàn)對圖像像素坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉(zhuǎn)換,以確定空間中人員位置相對攝像機圖像的坐標,并通過幾何校正方法對圖像進行校正,實現(xiàn)空間坐標轉(zhuǎn)換,完成室內(nèi)人員定位。FCHD是一種全卷積的端到端人頭檢測模型,將人頭檢測方法和人群計數(shù)方法相結(jié)合,具有較高的精度和較快的運行速度,很適合在嵌入式設(shè)備上運行。筆者所在課題組建立了基于FCHD人頭檢測的建筑人員負荷實時估計模型[18],準確實現(xiàn)了對室內(nèi)人員負荷的實時估計,本文的區(qū)域人員負荷估計采用該模型來實現(xiàn)。

1.2 區(qū)域負荷動態(tài)估計的分區(qū)主從補償控制策略

變風量空調(diào)系統(tǒng)選用壓力無關(guān)型末端時,通常采用如圖2所示的串級控制結(jié)構(gòu),溫度控制器根據(jù)空間實測溫度與溫度設(shè)定值的偏差,通過PID運算得到空間所需總風量設(shè)定值Gs,風量控制器根據(jù)風量設(shè)定值與檢測值的偏差,通過PID運算調(diào)節(jié)風閥開度,使送風量與設(shè)定值相等。

圖2 壓力無關(guān)型末端串級控制原理圖

本文介紹的熱不均勻空間溫度分區(qū)補償控制方法利用標定和校正后的室內(nèi)人員圖像信息和FCHD人員檢測模型獲取建筑空間實時人員總數(shù)量Nz、各區(qū)域zi(i=1,2,…,M)的人員數(shù)量Ni(i=1,2,…,M)及室內(nèi)被占用區(qū)域數(shù)量L。分區(qū)主從補償控制策略分為主控制模塊和從控制模塊兩部分,如圖3所示。

圖3 分區(qū)主從補償控制策略框圖

從控制模塊包括多個區(qū)域溫度控制環(huán)節(jié),分別由常規(guī)溫度控制器、風量補償器構(gòu)成。若區(qū)域zi被占用,則與變風量空調(diào)末端常規(guī)串級控制一致,區(qū)域溫度控制器采用PID法則計算區(qū)域zi所需初始風量G0i;根據(jù)所需初始風量G0i與視覺傳感手段獲得的區(qū)域人員負荷情況,風量補償器利用式(1)預測區(qū)域補償風量ΔGi,并通過式(2)、(3)確定各區(qū)域風量設(shè)定值Gi和建筑空間總風量設(shè)定值Gs。主控制模塊包括總風量控制器與多個區(qū)域風量控制器,總風量控制器的設(shè)置與常規(guī)串級控制中的風量控制器設(shè)置相同,根據(jù)總風量實測值和設(shè)定值Gs調(diào)節(jié)總風閥開度;區(qū)域風量控制器用于調(diào)節(jié)區(qū)域zi的風閥開度vi,控制策略如式(4)所示。此外,根據(jù)式(5)計算空間所需室外風量GOA。

(1)

Gi=G0i+ΔGi

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中k為群集系數(shù);Ni(t)為t時刻區(qū)域zi的人員數(shù)量,人;Ni(t-1)為t-1時刻區(qū)域zi的人員數(shù)量,人;q為人員負荷指標,W/人;Qi,max為區(qū)域zi的最大人員占用負荷,W;Rp為人均所需室外風量,m3/(人·h),取8.5 m3/(人·h);Ra為單位面積所需室外風量,m3/(m2·h),取1.1 m3/(m2·h);Az為區(qū)域面積,m2;Ez為空氣分配系統(tǒng)的通風效率。

可以看出,分區(qū)主從補償控制是根據(jù)區(qū)域的實時負荷變化,采用區(qū)域溫度控制器和區(qū)域風量補償模塊獲取區(qū)域的總風量,進而調(diào)節(jié)被占用區(qū)域風閥的開度,其新風量根據(jù)室內(nèi)實時占用總?cè)藬?shù)及空間被占用總面積計算得到。該策略通過室內(nèi)溫度的分區(qū)控制來緩解傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)造成的人員熱不適問題,并通過引入?yún)^(qū)域風量補償模塊改善空調(diào)系統(tǒng)的滯后性。

2 實驗設(shè)計

為了評估所提出的分區(qū)主從補償控制的性能,對分區(qū)主從控制方法和傳統(tǒng)控制方法進行比較。分區(qū)主從控制方法僅采用區(qū)域溫度控制器來獲取區(qū)域的總風量,其他設(shè)置與分區(qū)主從補償控制一致;傳統(tǒng)控制方法使用1個溫度控制器同步控制整個空間的溫度,采用室內(nèi)平均溫度作為控制器的反饋信號,并對整個空間均勻制冷。由于傳統(tǒng)控制方法無法確定室內(nèi)具體的人員占用信息,因此室外空氣的供給量根據(jù)設(shè)計在室人員總數(shù)及室內(nèi)總面積計算得到。

采用聯(lián)合仿真方式實現(xiàn)上述控制策略,聯(lián)合仿真系統(tǒng)如圖4所示。使用CONTAM軟件創(chuàng)建建筑分區(qū)三維模型,采用TRNSYS創(chuàng)建空調(diào)分區(qū)控制系統(tǒng),同時利用MATLAB實現(xiàn)區(qū)域風量補償,CONTAM、TRNSYS及MATLAB在每個模擬時間步內(nèi)(設(shè)為36 s)進行數(shù)據(jù)交換。

圖4 聯(lián)合仿真系統(tǒng)圖

為驗證所提出的控制策略在不同建筑面積下的性能,分別搭建了西安地區(qū)某小型辦公建筑和某大型活動中心建筑為原型的建筑仿真模型,如圖5所示,2棟建筑的參數(shù)如表1所示。

圖5 建筑仿真模型

表1 建筑參數(shù)

3 實驗結(jié)果分析

人員負荷動態(tài)變化主要體現(xiàn)在2個維度:室內(nèi)人員所處空間位置的動態(tài)變化、區(qū)域人員數(shù)量的動態(tài)變化。因此,為全面分析算法的有效性,分別開展控制策略區(qū)域劃分實驗、人員負荷空間位置變化實驗及區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化實驗。

3.1 區(qū)域劃分實驗與結(jié)果分析

為實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的分區(qū)調(diào)控,需要將室內(nèi)空間劃分為多個區(qū)域。如果分區(qū)過細,將會增加計算量;如果分區(qū)過于粗糙,則無法識別熱環(huán)境特征。由于大空間建筑中的熱環(huán)境更為復雜,因此在大型活動中心建筑模型中采用了4種不同區(qū)域尺寸的網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 大型活動中心建筑室內(nèi)區(qū)域劃分

西安市7月24日室外溫度變化如圖7所示。在自然通風及室內(nèi)無人員負荷時,采用TRNSYS和CONTAM相結(jié)合的方式對4種區(qū)域劃分模型的溫度進行仿真,選取14:30時的瞬時溫度值,利用Origin軟件繪制溫度分布圖。如圖8所示,在6 m×6 m區(qū)域尺寸(圖8c)和3 m×3 m區(qū)域尺寸(圖8d)中,可以觀察到區(qū)域之間的溫差,而在15 m×12 m區(qū)域尺寸(圖8a)和10 m×8 m區(qū)域尺寸(圖8b)2種情況下,室內(nèi)溫度基本呈現(xiàn)均勻分布,表明溫度傳感器越多,室內(nèi)溫度感知越明顯,但溫度傳感器的增加會導致監(jiān)控資源的浪費和室內(nèi)安裝的不便。因此,為了達到最佳分區(qū)溫度調(diào)控目的,從模型精度和調(diào)控效率兩方面考慮,選擇6 m×6 m區(qū)域尺寸作為本文的研究分析對象。

圖7 室外溫度變化

圖8 自然通風時4種區(qū)域尺寸劃分的室內(nèi)溫度分布

3.2 人員負荷空間位置變化實驗與結(jié)果分析

3.2.1人員分布類型

小型辦公建筑區(qū)域尺寸采用4 m×4 m;大型活動中心建筑區(qū)域尺寸采用6 m×6 m。在實際環(huán)境中,人員流動隨機,室內(nèi)人員可能呈現(xiàn)任何分布狀態(tài)。為模擬人員分布狀態(tài),本文建立9種人員分布類型,如圖9所示,S0～S8為小型辦公建筑人員分布類型,L0～L8為大型活動中心人員分布類型。圖9a中室內(nèi)人員均勻分布;圖9b～g中室內(nèi)人員分別按室內(nèi)對角線、室內(nèi)西區(qū)、室內(nèi)中心、室內(nèi)東南角、室內(nèi)中西區(qū)或分散位置分布;圖9h、i中的室內(nèi)人員分布位置與圖9g一致,區(qū)別在于圖9h中的人員數(shù)量低于設(shè)計在室人員總數(shù)量(120人),而圖9i的人員數(shù)量高于設(shè)計在室人員總數(shù)量(120人)。

圖9 小型辦公建筑和活動中心建筑的室內(nèi)人員分布

3.2.2區(qū)域溫度定性分析

選擇西安市7月24日室外氣象條件,設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)運行時間為08:00—18:00,分別對大型活動中心和小型辦公建筑的9種人員分布類型進行仿真實驗。

大型活動中心L4、L5及L8人員分布類型在14:30時的室內(nèi)瞬時溫度分布分別如圖10～12所示。采用傳統(tǒng)控制策略對室內(nèi)溫度進行調(diào)控時,室內(nèi)占用區(qū)的溫度能達到26.56 ℃,該溫度會造成室內(nèi)人員嚴重的不舒適。而分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補償控制策略根據(jù)檢測到的實時占用情況,僅對室內(nèi)占用區(qū)域進行溫度調(diào)節(jié),使所有占用區(qū)域的溫度都得到充分調(diào)節(jié),未占用區(qū)域的溫度通常高于典型的熱舒適水平,但這并不影響占用區(qū)域人員的舒適。

圖10 大型活動中心L4人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖11 大型活動中心L5人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖12 大型活動中心L8人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

小型辦公建筑S4、S5及S8人員分布類型在14:30 時的室內(nèi)瞬時溫度分布分別如圖13～15所示。當在小空間采用傳統(tǒng)控制策略時,室內(nèi)占用區(qū)過冷或過熱現(xiàn)象并不是很明顯,比較而言,采用分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制策略能為占用區(qū)人員提供更舒適的室內(nèi)環(huán)境。

圖13 小型辦公建筑S4人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖14 小型辦公建筑S5人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖15 小型辦公建筑S8人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

3.2.3區(qū)域溫度和風量定量分析

大型活動中心L6～L8人員分布類型部分被占用區(qū)域(區(qū)域1、6、15、20)的溫度和風量仿真結(jié)果分別如圖16、17所示。當室內(nèi)人員不均勻分布時,無論室內(nèi)人員總數(shù)量與設(shè)計在室人員總數(shù)量相同(L6)或是低于(L7)還是高于(L8)設(shè)計在室人員總數(shù)量,由于傳統(tǒng)控制策略對所有區(qū)域均勻送風,均會導致占用區(qū)的溫度高于設(shè)定溫度,尤其在L8人員分布類型時,占用區(qū)的溫度持續(xù)穩(wěn)定在26.6 ℃,導致占用區(qū)人員的嚴重熱不適。而分區(qū)主從控制根據(jù)實際占用情況僅對被占用區(qū)提供準確的風量,能快速將被占用區(qū)的溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度,但仍避免不了系統(tǒng)滯后的影響。與分區(qū)主從控制策略相比,分區(qū)主從補償控制能夠預測人員負荷變化帶來的室溫變化,根據(jù)當前人員負荷變化迅速調(diào)整系統(tǒng)送風量,有效改善傳統(tǒng)控制存在的調(diào)節(jié)延遲,因此能比分區(qū)主從控制進一步提高系統(tǒng)的響應速度,使室溫快速調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度,緩解系統(tǒng)滯后的影響。由于區(qū)域間熱傳遞的存在,在分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制中,即使占用區(qū)的人員數(shù)量相同,每個區(qū)域的送風量也是不同的。

圖16 大型活動中心L6～L8人員分布時部分被占用區(qū)域3種控制策略下的溫度

圖17 大型活動中心L6～L8人員分布時部分被占用區(qū)域3種控制策略下的風量

3.2.4總風量定量分析

大型活動中心L6～L8人員分布時3種控制策略下的總風量如圖18所示。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)初始,傳統(tǒng)控制策略由于其系統(tǒng)所存在的滯后特性,并不能跟隨室內(nèi)負荷變化而迅速調(diào)整送風量,而分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制根據(jù)區(qū)域?qū)崟r占用負荷對被占用區(qū)提供所需的風量。同時,與分區(qū)主從控制相比,分區(qū)主從補償控制能夠根據(jù)當前負荷變化提供區(qū)域風量補償,提高了系統(tǒng)的響應速度。分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制由于僅對被占用區(qū)送風,避免未占用區(qū)域的調(diào)節(jié)而減少了系統(tǒng)的送風量,達到了節(jié)能的效果。圖19顯示了小型辦公建筑S6～S8人員分布時3種控制策略下的總風量變化,可以看出所提出的分區(qū)主從補償控制在小型建筑空間中仍具有明顯的響應優(yōu)勢。

圖18 大型活動中心L6～L8人員分布時3種控制策略下的總風量

圖19 小型辦公建筑S6～S8人員分布時3種控制策略下的總風量

3.2.5能耗分析

大型活動中心和小型辦公建筑9種人員分布時3種控制策略下的能耗如圖20所示。在L0和S0人員均勻分布情況下,與傳統(tǒng)控制策略相比,由于分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制提供精準的區(qū)域溫度控制,會消耗更多的能源。但在人員不均勻分布時,無論室內(nèi)人員實際占用情況如何,傳統(tǒng)控制始終對整個空間制冷,消耗了更多的能源,分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補償控制根據(jù)實時人員負荷提供室外空氣,并根據(jù)人員在空間中的實際分布僅對被占用區(qū)進行溫度調(diào)控,均能達到節(jié)能效果,與傳統(tǒng)控制策略相比,最多節(jié)省8.5%的能源。在小型辦公建筑這類小空間建筑中,雖然節(jié)能效果沒有大空間建筑明顯,但也具有微弱的節(jié)能潛力。分區(qū)主從補償控制的節(jié)能效果與分區(qū)主從控制的節(jié)能效果基本一致,但與分區(qū)主從控制相比,分區(qū)主從補償控制系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的響應速度及對室內(nèi)熱環(huán)境變化和負荷變化的快速調(diào)節(jié)上。

圖20 大型活動中心建筑和小型辦公建筑9種人員分布時3種控制策略下的能耗

3.3 區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化實驗與結(jié)果分析

為了驗證本文所提出的控制策略對區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化調(diào)控的有效性,選擇大型活動中心建筑L3人員分布進行占用區(qū)域人員負荷動態(tài)變化的仿真與分析。根據(jù)設(shè)計占用密度,每個區(qū)域的最大人數(shù)為6人,室內(nèi)總?cè)藬?shù)和占用區(qū)域人數(shù)變化如圖21所示。

圖21 大型活動中心L3人員分布區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化

大型活動中心L3人員分布區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化的溫度和風量仿真結(jié)果如圖22所示。圖22a～f表明:在室內(nèi)人員數(shù)量較少及室外溫度不高的08:00—09:00 時間段內(nèi),由于傳統(tǒng)控制策略根據(jù)設(shè)計占用人數(shù)及空間面積供應新風量,并對整個空間均勻送風,造成室內(nèi)溫度過低;當區(qū)域人員負荷增大時,傳統(tǒng)策略由于送風量難以跟隨負荷變化,導致區(qū)域溫度持續(xù)高于設(shè)定溫度;當區(qū)域人員負荷減少時,送風量大于區(qū)域所需風量,導致區(qū)域溫度過低;當室內(nèi)無人時,傳統(tǒng)控制策略仍提供風量,造成能源浪費。

圖22 區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化(大型活動中心L3人員分布)時的仿真結(jié)果

分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補償控制策略根據(jù)區(qū)域人員負荷的動態(tài)變化提供區(qū)域風量以調(diào)控區(qū)域溫度到設(shè)定溫度;同時分區(qū)主從補償控制策略根據(jù)區(qū)域人員負荷的變化提供區(qū)域風量補償值,人員增多時,與分區(qū)主從控制策略相比,能更快地調(diào)節(jié)區(qū)域溫度到設(shè)定溫度;人員減少時,與分區(qū)主從控制策略相比,分區(qū)主從補償控制策略的區(qū)域送風量減少,其區(qū)域溫度稍高于分區(qū)主從策略的區(qū)域溫度,但不會對區(qū)域溫度造成過大的波動;區(qū)域10和區(qū)域11在08:00—17:00時間段內(nèi)一直被占用,在12:00—13:00時間段受到區(qū)域熱耦合效應,區(qū)域10和區(qū)域11提高送風量以維持區(qū)域溫度,在13:00時,當其他區(qū)域由于人員負荷增大開始送風時,區(qū)域10和區(qū)域11的送風量逐漸減少。

圖22g的溫度仿真結(jié)果表明,雖然分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補償控制策略的室內(nèi)平均溫度高于傳統(tǒng)控制策略的室內(nèi)平均溫度,但占用區(qū)的平均溫度基本均調(diào)控在設(shè)定溫度值內(nèi),與傳統(tǒng)控制策略相比,能給占用區(qū)人員提供更舒適的區(qū)域環(huán)境。圖22g的總風量仿真結(jié)果表明,所提出的控制策略能避免能源的浪費。

4 結(jié)束語

本文提出了一種人員負荷視覺動態(tài)估計的熱不均勻空間溫度分區(qū)補償控制方法,以提高公共建筑室內(nèi)人員的舒適性,改善空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的滯后性,并降低建筑能耗。該方法通過將室內(nèi)空間劃分為適當?shù)亩鄠€區(qū)域,利用攝像機采集室內(nèi)空間圖像信息,然后通過設(shè)計人員計數(shù)與定位模型,實現(xiàn)對區(qū)域及室內(nèi)負荷的實時估計。提出了一種分區(qū)主從補償控制策略,采用區(qū)域溫度控制器和區(qū)域風量補償器獲取區(qū)域的總風量,調(diào)節(jié)被占用區(qū)域風閥的開度,通過室內(nèi)溫度的分區(qū)調(diào)控緩解了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)造成的人員熱不舒適問題,并通過引入?yún)^(qū)域風量補償模塊,提高了系統(tǒng)的響應速度。設(shè)計了9種室內(nèi)人員分布類型和區(qū)域人員數(shù)量動態(tài)變化實驗,并建立了2個建筑模型來驗證所提出的分區(qū)主從補償控制策略的有效性,該策略在大空間的公共建筑模型中實現(xiàn)了8.5%的節(jié)能效果,改善了系統(tǒng)響應的滯后性。