基于流量感知的建筑節能系統的研究

摘 要：為有效降低校園建筑的能耗和提高用能效率，將自動監測控制和流量感知系統相結合，設計一種基于PID的模糊控制系統。校園為人流密集區域，各時段用能不盡相同，在物聯網技術支持下能夠提高能效。將公共區域實時人流數量作為 PID 控制器的輸入量，通過智能優化，實現最大效益的節能。

關鍵詞：流量感知；能耗監測；節能策略

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

0 引言

目前大部分校園建筑內的空調均采用全天候恒溫控制，未使用具有能耗監測功能的自動管理系統，無法實現合理用能。對于建筑內人員流量的變化也未進行有效控制，無法在不同人員流量下調整空調使用頻率，造成了能源浪費。為降低空調能耗，提高能源利用率，將自動監測控制和流量感知系統相結合，筆者設計一種基于PID的模糊控制系統。此系統針對不同時間段、不同區域，進行人員動態監測，針對人員的實時數量，來優化空調的開啟和關閉時間，實現最大化的節能措施。

1 校園建筑主要熱負荷來源

校園建筑屬于人員密集區，環境熱負荷變化繁復且具有不確定性。教學系統內通風空調的溫控調整缺乏智能化，同時不科學的送風方式會使建筑內的空氣流動不穩定，溫度出現不均勻變化。因此，要針對校園內部熱負荷非線性的時間變化特性，建立一套智能化控制系統。

校園建筑熱負荷主要由人體熱負荷、設備散熱負荷、天氣變化負荷、新風負荷、管道接口滲透負荷等組成。在人員密度較高的時間段，人體熱負荷可達建筑內總負荷的65%左右。因此，建筑內人體熱負荷是影響建筑空調系統負荷的主要因素之一。人流量識別系統可以使用神經網絡原理的監測系統，依據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行仿真模擬，智能化指導制冷系統和變頻調速系統的變化[1]。

2 校園建筑通風空調系統的組成及功能

2.1 校園通風空調系統的組成

該系統主要由4個系統組成：①校園公共區域系統，其功能為校園建筑的通風量和溫濕度控制。②輔助環境控制系統，負責輔助采集建筑周邊環境數據并進行有效控制。③水控制系統，用于控制上述兩個系統的冷水供應。④隧道通風系統，負責教室、辦公室、實驗室內的溫濕度及空氣的調控[2]。

2.2 現有校園通風空調系統的功能

校園公共區域呈現熱值高且集中的特點，熱量來源有人群密集散發的熱量、空調系統送風交換產生的熱量、教學實驗設備產生的熱量等。這些熱量使局部區域內熱量快速升高，為現場人員帶來不舒適的感覺。因此，為保證教學場所的舒適程度，不僅需要通風系統的平穩交換，還需要制冷機組來減少熱負荷值。

校園建筑中還存在一些特定區域，如計算機房、設備機房、特定實驗場所等，這些封閉的環境產生的熱能比較難散出。因此，為保證設備的平穩運行及教學適宜度，需要安裝單獨的散熱降溫系統。

水控制系統主要包括冷卻系統、輸送分配管網等。受運行條件的影響，其能耗有室內負荷、室外環境參數、冷卻水溫度等方面，需要冷水系統和通風系統相結合才能達到降耗的作用[3]。

建筑通風系統主要組成部分包括室內風道、樓門出入口通風機、迂回風道、實驗室通風口等，用于將建筑內溫度保持在一個合理的范圍[4]。

3 人員流動產生的熱量和濕度計算

大量人員在教學場所長時間駐留，會產生大量的熱量和濕度負荷，而教學建筑內人口密度的特殊性，上課期間、課間及學生就餐期間會產生不同的熱量和濕度負荷。此時可通過人流量識別系統進行實時統計，對不同時間段人員數量統計后，即可計算在此區域內的人員散熱和散濕量，可依據公式（1）、（2）來進行計算。

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

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

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

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

人流的總散熱能力包括顯熱和潛熱散熱量，可以依據時間節點來進行計算。

4 校園建筑節能的控制措施

4.1 校園能耗控制措施

校園能耗控制主要在于實現實時監測師生數量及流動方向。利用傳感器感知模塊，將現場圖像信息經過計算后轉化為熱負荷數據，通過數據采集模塊發送至中央控制模塊[7]，人流量感知系統運行模式如圖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行識別、解析，以獲得該區域內人員變化的數量信息和流量信息。

通過數據分析模塊，對流量感知模塊采集的人員流量數據進行分析處理，計算出相應的熱負荷需求量以及新風需求量，并將其所對應的時間、溫度和濕度等信息儲存，交給中央處理模塊來調控各個機組。中央控制模塊根據數據采集模塊所提供的人流及新風熱負荷數據進行解析和計算，優化空調機組及相關設備的運行，從而實現最大節能效果[8]。

數據反饋模塊采用多傳感器系統，在傳感器的選擇上，其精度與測量范圍對采集信號的穩定性和傳輸的精準性結果有很大影響。多傳感監測器系統由傳感器套件、報警線路、LCD顯示及電源模塊組成，監測器結合了無線通信和ARM Cortex-M0處理器、環境傳感器、陀螺儀、加速度計等硬件模塊，進行實時監測[9]。

4.2 全系統控制措施

系統控制措施采用常規的模糊 PID控制，即在系統運行中，將公共區域實時采集的人員流量作為PID控制器的輸入量，將數據分析后得到對應的通風量和制冷量，再經過中央控制器進行智能優化，發布調控指令，將公共區域內的溫度維持在合理范圍。

4.3 控制過程

當公共區域內人流量產生變化時，傳感器終端得到有關數據，通過無線網絡傳輸至中控節點，供回水溫度、流量、壓差也隨之產生變化。再將數據傳輸至中央控制器，中央控制器根據實時數據及過往運行數據，計算出空調末端實際需求的制冷量，并以此來調節各變頻器輸出頻率。同時調整冷凍水泵的轉速，改變閥門，使得整個系統運行在中央控制器的優化狀態下[10]。

通過 PID 模糊控制策略，不斷調節制冷機組、通風風機、水泵等設備，進行變頻運行，按照公共區域內人流的變化來改變設備的運行頻率，實現全方位節能。

參考文獻

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[2] 鄒磊，陳偉利，王亞娟，葉冠龍.智能節能控制系統管理軟件功能的設計[J].科學技術創新，2021（24）：193-194.

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[10] 劉慶，張認成，劉二麗.基于ZigBee無線網絡的樓宇火災探測系統研究[J].消防科學與技術，2010，29（12）：1092-1094.