基于流量感知的建筑节能系统的研究

摘 要：为有效降低校园建筑的能耗和提高用能效率，将自动监测控制和流量感知系统相结合，设计一种基于PID的模糊控制系统。校园为人流密集区域，各时段用能不尽相同，在物联网技术支持下能够提高能效。将公共区域实时人流数量作为 PID 控制器的输入量，通过智能优化，实现最大效益的节能。

关键词：流量感知；能耗监测；节能策略

中图分类号：TU201.5                               文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2023）04-0112-02

0 引言

目前大部分校园建筑内的空调均采用全天候恒温控制，未使用具有能耗监测功能的自动管理系统，无法实现合理用能。对于建筑内人员流量的变化也未进行有效控制，无法在不同人員流量下调整空调使用频率，造成了能源浪费。为降低空调能耗，提高能源利用率，将自动监测控制和流量感知系统相结合，笔者设计一种基于PID的模糊控制系统。此系统针对不同时间段、不同区域，进行人员动态监测，针对人员的实时数量，来优化空调的开启和关闭时间，实现最大化的节能措施。

1 校园建筑主要热负荷来源

校园建筑属于人员密集区，环境热负荷变化繁复且具有不确定性。教学系统内通风空调的温控调整缺乏智能化，同时不科学的送风方式会使建筑内的空气流动不稳定，温度出现不均匀变化。因此，要针对校园内部热负荷非线性的时间变化特性，建立一套智能化控制系统。

校园建筑热负荷主要由人体热负荷、设备散热负荷、天气变化负荷、新风负荷、管道接口渗透负荷等组成。在人员密度较高的时间段，人体热负荷可达建筑内总负荷的65%左右。因此，建筑内人体热负荷是影响建筑空调系统负荷的主要因素之一。人流量识别系统可以使用神经网络原理的监测系统，依据校园体系的特点搭建仿真模型，运用模拟软件对不同时间段的人员变化进行仿真模拟，智能化指导制冷系统和变频调速系统的变化[1]。

2 校园建筑通风空调系统的组成及功能

2.1 校园通风空调系统的组成

该系统主要由4个系统组成：①校园公共区域系统，其功能为校园建筑的通风量和温湿度控制。②辅助环境控制系统，负责辅助采集建筑周边环境数据并进行有效控制。③水控制系统，用于控制上述两个系统的冷水供应。④隧道通风系统，负责教室、办公室、实验室内的温湿度及空气的调控[2]。

2.2 现有校园通风空调系统的功能

校园公共区域呈现热值高且集中的特点，热量来源有人群密集散发的热量、空调系统送风交换产生的热量、教学实验设备产生的热量等。这些热量使局部区域内热量快速升高，为现场人员带来不舒适的感觉。因此，为保证教学场所的舒适程度，不仅需要通风系统的平稳交换，还需要制冷机组来减少热负荷值。

校园建筑中还存在一些特定区域，如计算机房、设备机房、特定实验场所等，这些封闭的环境产生的热能比较难散出。因此，为保证设备的平稳运行及教学适宜度，需要安装单独的散热降温系统。

水控制系统主要包括冷却系统、输送分配管网等。受运行条件的影响，其能耗有室内负荷、室外环境参数、冷却水温度等方面，需要冷水系统和通风系统相结合才能达到降耗的作用[3]。

建筑通风系统主要组成部分包括室内风道、楼门出入口通风机、迂回风道、实验室通风口等，用于将建筑内温度保持在一个合理的范围[4]。

3 人员流动产生的热量和湿度计算

大量人员在教学场所长时间驻留，会产生大量的热量和湿度负荷，而教学建筑内人口密度的特殊性，上课期间、课间及学生就餐期间会产生不同的热量和湿度负荷。此时可通过人流量识别系统进行实时统计，对不同时间段人员数量统计后，即可计算在此区域内的人员散热和散湿量，可依据公式（1）、（2）来进行计算。

Mc = ρGcmc+ρGpmp                                                 （1）

式中：Mc为人员实时散热负荷，单位是W；mc为建筑内人流散热负荷，单位是W/人；mp为建筑内人流散热指标，单位是W/人；ρ为群集系数，取 0.8[5]。

Kc = ρGckc+ρGpkp                                                   （2）

式中： Kc为人员实时散湿负荷，单位是W；kc为建筑内人流散湿负荷，单位是W/人；kp为建筑内人流散湿指标，单位是W/人；ρ为群集系数，取 0.8[6]。

人流的总散热能力包括显热和潜热散热量，可以依据时间节点来进行计算。

4 校园建筑节能的控制措施

4.1 校园能耗控制措施

校园能耗控制主要在于实现实时监测师生数量及流动方向。利用传感器感知模块，将现场图像信息经过计算后转化为热负荷数据，通过数据采集模块发送至中央控制模块[7]，人流量感知系统运行模式如图1。

利用流量感知模块，通过图像全方位采集人员行动信息，同时对采集的图像信息进行识别、解析，以获得该区域内人员变化的数量信息和流量信息。

通过数据分析模块，对流量感知模块采集的人员流量数据进行分析处理，计算出相应的热负荷需求量以及新风需求量，并将其所对应的时间、温度和湿度等信息储存，交给中央处理模块来调控各个机组。中央控制模块根据数据采集模块所提供的人流及新风热负荷数据进行解析和计算，优化空调机组及相关设备的运行，从而实现最大节能效果[8]。

数据反馈模块采用多传感器系統，在传感器的选择上，其精度与测量范围对采集信号的稳定性和传输的精准性结果有很大影响。多传感监测器系统由传感器套件、报警线路、LCD显示及电源模块组成，监测器结合了无线通信和ARM Cortex-M0处理器、环境传感器、陀螺仪、加速度计等硬件模块，进行实时监测[9]。

4.2 全系统控制措施

系统控制措施采用常规的模糊 PID控制，即在系统运行中，将公共区域实时采集的人员流量作为PID控制器的输入量，将数据分析后得到对应的通风量和制冷量，再经过中央控制器进行智能优化，发布调控指令，将公共区域内的温度维持在合理范围。

4.3 控制过程

当公共区域内人流量产生变化时，传感器终端得到有关数据，通过无线网络传输至中控节点，供回水温度、流量、压差也随之产生变化。再将数据传输至中央控制器，中央控制器根据实时数据及过往运行数据，计算出空调末端实际需求的制冷量，并以此来调节各变频器输出频率。同时调整冷冻水泵的转速，改变阀门，使得整个系统运行在中央控制器的优化状态下[10]。

通过 PID 模糊控制策略，不断调节制冷机组、通风风机、水泵等设备，进行变频运行，按照公共区域内人流的变化来改变设备的运行频率，实现全方位节能。

参考文献

[1] 方俊，袁宏永，赵建华.气体传感器在火灾探测中的应用[J].火灾科学，2002（7）：180-185.

[2] 邹磊，陈伟利，王亚娟，叶冠龙.智能节能控制系统管理软件功能的设计[J].科学技术创新，2021（24）：193-194.

[3] 褚治广，李刚，张兴.基于多维度控制的酒店节能系统[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2021（2）：15-18.

[4] 张翠平，丰永.多传感器组合式电气火灾监控探测器的设计[J].消防科学与技术，2016，35（12）：1726-1728.

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[7] 周浩东等.基于Wifi 无线传感器网络的水质监测系统设计[J].传感器与微系统，2015（5）：99-105.

[8] 王旭东.基于WiFi的校园建筑消防系统设计[J].消防科学与技术，2017，35（11）：1560-1562.

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[10] 刘庆，张认成，刘二丽.基于ZigBee无线网络的楼宇火灾探测系统研究[J].消防科学与技术，2010，29（12）：1092-1094.