基于体感温度的智能楼宇控制系统

郭 庆, 侯晓静

[1.霍尼韦尔(天津)有限公司, 天津 300450;2.天津工业职业学院 电气工程系, 天津 300400]

0 引 言

在暖通空调领域,特别是集中供暖系统中,最主要的目的是通过调节供暖量控制建筑物的温度,使用户工作、生活在舒适的室内环境。供暖量受室外天气、建筑物维护结构等多方面的影响,调节非常复杂。以北方城镇普遍采用的集中供暖系统为例,绝大多数公建、住宅内没有热量调节装置,进入建筑物内的热量由热力公司统一调节,调节方法主要依靠热力站的供、回水温度以及室外温度等测量数据,结合人工经验进行调节,没有形成有效的调节机制[1]。

同时,也存在用户端缺乏热舒适度反馈信息的问题,主要原因有两个方面:室内温度测点不足,若安装足够多,则测点成本高;安装条件和人为因素等原因,室内温度测点不能准确地反映用户的热舒适度。因此,由于缺乏用户的有效反馈,使供热量的调节实际处于一种开环控制状态,导致热力公司不能更精准地调节供热量,造成供热效果差、投诉率高、能源浪费严重等问题,并产生一系列社会问题。如果能够以一种低成本方式获得足够多用户的热舒适度信息,并将这些信息进行分类处理,及时反馈给热力公司操作人员,则可以对供热量进行更精细化的调节,提高供热品质,产生节能减排效益。同样,该方法对集中供冷系统也会起到同样的效果[2]。

1 群智感知模型

群智感知模型如图1所示。群智感知是基于无线传感网相关概念发展起来的,通过发挥人多力量大的优势,将原来需要大量传感器检测的数据变换成用户主动上传数据,用户本身就成为传感网中的特殊“测量节点”。随着移动网络、智能手机、智能终端设备的普及,结合一定的激励制度便可以获得大量的有效数据,然后从这些数据中提取出有用的信息加以利用。

体感温度是人们直接感受的温度,受环境温度、湿度、风速、太阳辐射度等多方面的影响,比单纯的环境温度更能反映环境的舒适度。因此,要研发一种能够通过用户反馈的体感信息所实现的基于闭环反馈原理的智能楼宇控制系统,以解决上述所说的问题。

图1 群智感知模型

体感温度等级具有对应的温度取值范围,需要进一步转化。以该体感温度等级的温度取值范围所包含的各温度均值作为取值依据或者设置随机分配模型,以按照所述的温度取值范围随机分配温度取值,如体感温度等级为热时,其对应的范围为30～36 ℃,如体感温度等级为极热时,其对应的温度大于37 ℃,则可以设定分配限制,即仅为37 ℃;如体感温度等级为极冷时,其对应的温度小于-3 ℃,则可以设定分配限制,即仅为-3 ℃。根据不同温度设定与标准进行比较,然后进行相应控制[3]。

2 智能楼宇系统

基于体感温度的智能楼宇控制系统框图如图2所示,包括多个数据采集端。各数据采集端分布于楼宇内不同数据采集点,用于采集所在数据采集点所对应的温度数据以及体感温度数据,其中体感温度数据由楼宇内的用户通过数据采集端预载入的应用模块进行输入设定;对数据采集端所采集的数据进行分类汇总,以生成汇总数据,并通过信息解释器传输到远程服务器;基于汇总数据生成房间舒适度模型,并下发控制决策到信息解释器;依据控制决策,调节楼宇供热/冷阀门的智能楼宇控制器。其中,温度传感器(PT100温度传感器)用于采集所在数据采集点对应的温度值,移动端通过应用模块为用户提供输入界面,并采集用户所输入的体感温度数据。优选的移动端如手机、移动电脑等激励用户利用该移动端采集其体感温度信息而共同辅助楼宇供热调节,并协同温度数据将采集的楼宇供热量数据通过移动端和无线传输技术发送到远程服务器。

图2 基于体感温度的智能楼宇控制系统框图

体感温度采集有以下3种方案:

(1) 方案一为基于微信的公众号平台开发的Web应用程序。通过响应自定义菜单按钮事件来获取移动用户的用户ID、体感温度等级、上传时间、位置信息。

(2) 方案二是基于移动操作系统的应用程序。用户打开应用程序后,通过选择选项的方式上传体感温度、上传时间、位置信息、用户ID等信息。

(3) 方案三是支持移动端的Web应用程序。用户通过移动端的浏览器访问网站,上传体感温度、上传时间、位置信息、用户ID等信息。基于浏览器的应用程序界面如图3所示,远程服务器首先将温度传感器采集的室内温度数字信息存储到数据库中,其次将体感温度的等级信息转换为数字信息,并与传感器采集室内温度值比较,最终决策出楼宇内的平均供热温度即为参考调控温度,服务器将最终决策的参考调控温度值发送到楼宇控制器[4-6]。

图3 基于浏览器的应用程序界面

设计通过将用户体感温度、楼宇温度数据与楼宇供热量调节进行良好的结合,构成闭环反馈机制,提高供热品质,节约资源。

3 基于体感温度的智能楼宇系统特征

(1) 多个数据采集端,各数据采集端分布于楼宇内不同数据采集点,用于采集对应的温度数据以及体感温度数据,其中体感温度数据由楼宇内的用户通过数据采集端预载入的应用模块进行输入设定;对数据采集端所采集的数据进行分类汇总,以生成汇总数据,并通过信息解释器传输到远程服务器;汇总数据生成房间舒适度模型,并下发控制决策到信息解释器;依据控制决策,调节楼宇供热/冷阀门的智能楼宇控制器。

(2) 数据采集端至少具有温度传感器以及预载入应用模块的移动端,其中温度传感器用于采集所在数据采集点对应的温度值,移动端用于通过应用模块为用户提供输入界面,并采集用户所输入的体感温度数据。

(3) 输入界面为用户提供若干体感温度等级选项,各体感温度等级选项以不同体感温度范围进行划定,即在数据采集端的体感温度数据为体感温度等级数据。体感温度等级通过移动端(手机、移动电脑等)的应用程序获取体感温度数据,其中体感温度根据人体感觉分为极热、热、暖热、温热、舒适、凉爽、凉、冷、很冷9个模糊等级,用户将自身感觉的体感温度信息通过移动端将信息上传至远程服务器,进而将数据按照时间、位置、用户ID等信息进行分类。体感温度等级如表1所示。

表1 体感温度等级

(4) 远程服务器在所设定的时间段内将来自同一数据采集端的数据打包成数据包,以完成分类汇总过程。

(5) 信息解释器自数据包提取出体感温度等级数据后将其转化为体感温度数据后,基于所转化的体感温度数据以及数据包中的温度数据生成房间舒适度模型,以计算楼宇对应的参考调控温度;其中房间舒适度模型用于计算各所转化的体感温度数据与数据包中的各温度数据的平均温度值(即参考调控温度)。

(6) 智能楼宇控制器用于比较参考调控温度与控制器设定值,并依据比较情况调节楼宇内供热/冷阀门的开关状态,以完成对楼宇温度的智能调节。

(7) 智能楼宇控制器通过无线通信网络模块DTU接收反馈的信息。

(8) 数据采集端通过位于采集点的温度传感器测量楼宇内实际的温度数据,再利用DTU无线通信网络模块发送数据。

(9) 智能楼宇控制器由PLC模块单元、MCGS组态单元以及无线通信网络单元DTU组成,实现对数据的比较处理以及对供热/冷阀门的控制。

4 结 语

介绍了基于闭环反馈原理设置的智能楼宇控制系统设计方案。智能楼宇控制器用于比较参考调控温度与控制器设定值,并依据比较情况调节楼宇内供热/冷阀门的开关状态,实现对楼宇温度的智能调节;控制器通过DTU接收到信息解释器的温度信息,比较后对楼宇阀门做出智能决策。智能控制器通过无线通信网络接收信息解释器的温度平均值,并将该值与控制器中的设定值进行比较,如果所测温度大于设定值,控制器控制楼宇温度控制阀关闭,反之,控制阀打开,实现智能自动调节;温度、流量等传感器及阀门信号输入到PLC中,然后PLC与触摸屏通过RS-485通信进行数据交互,并将部分信息显示出,触摸屏上需要远程传输的数据通过RS-232利用DTU模块进行无线传输,将数据传至服务器端,同时也可以接收远程服务器的信息。