CN103294028B - 室内建筑能耗和空气质量的综合控制方法 - Google Patents

Abstract

室内建筑能耗和空气质量的综合控制方法属于建筑的节能技术控制领域，其特征在于设定包括烟雾、甲醛、二甲苯的各污染物为优先控制对象，CO₂浓度为次级控制对象，当优先控制对象超标时实行中断控制，打开排风扇送风，当次级控制对象超标时采用PID调节模式的极值控制，启动液体马达，同时判断室内温度是否达标，若超标，则启动换气片流量控制，直到CO₂浓度与室温都达标为止。本发明取得了房屋节能和舒适度的联合动态控制效应。

Description

室内建筑能耗和空气质量的综合控制方法

技术领域

本发明属于室内空气质量和建筑节能技术综合控制技术领域。

背景技术

随着我国经济建设地快速发展，能源问题倍受关注，我国人口多，资源相对不足，主要矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半：同时，我国能源利用率较低，国内生产总值万元能耗为世界平均值3.3倍，主要用能产品能耗比发达国家高40％，比德国高55％，其中建筑用能已达全社会能源消耗的27.6％，建筑节能已成为国家发展战略的重大问题。然而当今建筑措施中，增加房屋密闭性，减少空气流通性的方法，又会大大降低室内空气的健康指数，据不完全统计，全国每年由室内空气污染引起的死亡人数已达11.1万人,每天大约是304人。这个数字,恰好相当于全国每天因车祸死亡的人数。因此，建筑节能与室内空气质量，急需智能家居系统来合理有效的调节。本发明通过实时测量和自动分析室内空气质量的各项指标，尤其是有害气体指标，调整窗体和采暖设备以达到房屋节能和健康、舒适的双重效果。

建筑节能和住宅智能化是当前世界研究和推广的热点，国内外的研究主要集中在被动式房屋、楼宇设备自动化、智能网络以及相关的智能窗、节能技术等方面。但是通过实时测量和自动分析室内空气质量的各项指标(如温度、湿度、二氧化碳浓度等)，将窗体和采暖设备的联合智能控制，以达到房屋节能和健康、舒适的双重效果的技术成果较少，而可以在生活实践中应用的技术成果更为罕见。

从控制程序来看，大多数产品采用电脑控制，这样大大增加的系统的成本，限制了其产品在中国当前情况下的推广。而从室内空气含量分析，门窗、空调、暖气、排风扇等装置的控制来看，采用主控单片机和附属电路结构获取信息和控制子系统联动组可以完成整套系统的运转，同时大大缩短了反应时间。国内外已有一些专利或产品可测量室内舒适度有关指标，若温度、湿度、二氧化碳浓度；以及其他有害气体若烟雾、酒味、甲醛、二甲苯等。并对以上气体进行实时测量，然而同时考虑舒适度和有害气体含量两方面因素却很少。为了解决室内空气质量的问题，个别产品考虑到通过控制门窗，或空调、或暖气来控制室内通风、或温度。然而由于缺乏对室内空气含量的综合分析，因此温度、湿度、或有害气体排放是无序的，缺少对节能和其有害程度的考虑，这样势必造成排放不足或过度热交换，从而造成建筑能源的浪费，如下述两个专利：

近似专利一：元上智能化室内空气净化系统

网站：http://www.e-wellsun.com/airclear.php

本产品该一个空气净化系统，主要具有自动调节功能，自动报警功能，定时控制功能等，然而本项目中的节能控制系统具有以下特点是上述产品所不具备的：(1)本产品采用单片机控制，降低成本；(2)本产品自动控制门窗、暖气、排风系统等；(3)本产品对节约能耗进行综合考虑；(4)本产品采用建筑能耗模拟程序(TRNSYS，EnergyPlus)与计算流体力学技术优化空气分析和控制系统。

近似专利二：室内空气质量评估方法及室内空气质量监测和分析系统，来自北京世坤环境科技有限公司，发明(设计)人：高鹏曹鹏飞，主分类号：G01N33/00(2006.01)I，本产品是一种室内空气质量评估方法及室内空气质量监测和分析系统。利用该方法和系统能够实时监测室内环境的多种污染源浓度,并根据监测数据对空气质量进行准确评估和分析。然而本项目中节能控制系统所具有采用单片机控制气体排放和控制门窗、暖气、排风等装置运行以同时达到保证室内空气健康度和节约建筑能耗的双重目的，在竞争者2的产品中未见相关功能。因此无法实现节能的关键性目的。

类似的产品科技查新报告中都有涉及，但均无法实现本项目中所涉及系统，既可保持室内空气的健康指数、又充分考虑建筑能耗降低的需求，同时考虑整个系统的装置、使用和维护费用等如此全面方位的实现房屋节能控制的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑节能与空气质量相结合的综合调节方法。

本发明的特征在于是在一个室内建筑能耗和空气质量的综合调节方法，其特征在于：是在一个室内建筑能耗和空气质量综合控制系统下依次按以下步骤实现的：

步骤(1)系统构建：

设有：DSP数字信号处理器，温度传感器，烟雾传感器，甲醛传感器、二甲苯传感器以及CO₂传感器，以及包括窗体开启角度控制马达、暖气流量控制马达和排气扇风量控制马达，其中：

DSP数字信号处理器设有：

包括苯、甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度mg/m³和时间min关系曲线，

包括所述苯、甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度的阀值，

CO₂浓度阀值，

室内最高、最低二种温度的额定值，

室内CO₂浓度的PID调节控制模块，内设有：控制室内CO₂浓度变化率的控制规律，

$\frac{{\mathrm{dX}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{dt}=\frac{V_{{\mathrm{CO}}_2\left(t\right)}}{V_{room}}-\left(X_{{\mathrm{CO}}_2}\left(t\right)-X_{0{\mathrm{CO}}_2}\right)\frac{V_{air}\left(t\right)}{V_{room}}$

其中：

V_air(t)：每分钟流向室外的空气体积速率m³/min，

污染气体在t时刻的浓度，mg/m³，

在t时刻流出室外的空气体积速率，m³/min，

室外污染气体浓度，mg/m³，

V_room：房间容积,m³

室内温度PID调节模块，输入是室内最高温度额定值和室内最低温度额定值，

还设有：三个中断控制信号输入端，与各个所述烟雾传感器，甲醛传感器和二甲苯传感器各自的传感信号输出端相连，一个CO₂浓度信号输出端和一个室内温度信号输入端，

时的窗体开启角度的控制马达的转角θ1值，

单位室温变化下的暖气流量控制马达的转角θ₂值，

另外还设有：第一电动执行器输入是输出是窗体开启角度马达的开启角θ1值，

第二电动执行器的输入是单位时间下室温变化控制量，输出时暖气流量控制马达的转角θ₂值；

步骤(2)依次按以下步骤对建筑能耗和空气质量进行综合调节：

步骤(2.1)判断：包括所述苯、甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度是否大于设定的污染物浓度阀值：

若超标则中断，否则按：污染物浓度→送风量→排风扇的转速的对应关系控制排风扇的转速，直到达标为止，

若达标则执行步骤(2.2)，

步骤(2.2)判断CO₂浓度是否大于设定的CO₂浓度阀值：

若超标，则所述DSP数字信号处理器依次通过所述CO₂浓度的PID调节控制模块、第一电动执行器调节所述窗体开启角度控制马达的转角θ₁值，直到CO₂浓度达标为止，

若未超标，则执行步骤(2.3)，

步骤(2.3)

判断室内温度是否高于室内最高温度额定值和低于室内最低温度额定值：

若超标，则所述DSP数字信号处理器依次通过所述室内温度PID调节模块，第二电动执行器调节所述的暖气流量控制马达的转角θ₂值，直到达标为止，

步骤(3)循环执行步骤(2.1)～步骤(2.3)，直到设定的有限巡回检测次数为止。

本发明在保证烟雾、甲醛及二甲苯浓度优先中断控制到达标的条件下，使CO2浓度及室内温度控制之间在保证空气质量达标的前提下实现对建筑耗能的优化调节。

附图说明：

图1：本发明的程序流程框图。

图2：本发明的硬件组成结构。

图3：基于CO₂浓度和温度给定值的双输入双输出耦合控制方框图。

图4：包括苯、甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度对时间的变化曲线。

苯

甲苯

对二甲苯

邻二甲苯

1，3二氯苯

乙酸乙酯

α-蒎烯

图5：使用场景展示。

具体实施方式

系统的硬件组成结构如附图2所示。采用可编程DSP控制器作为中央处理器，市面上有大量可供选择的设备。DSP控制器可以为各种电机提供想的PWN和I/O功能，完全适用于本控制系统。

系统工作时，温度传感器、烟雾传感器、甲醛传感器、二甲苯传感器、二氧化碳传感器的模拟信号通过A/D接口转换成数字信号，其中烟雾传感器、甲醛传感器、二甲苯传感器的输出分别作为中断信号送入到控制器，意味着这三种输出信号拥有优先权，当室内的烟雾、甲醛、二甲苯浓度超过规定阈值时，控制器立即产生中断并对窗体产生开敞动作以排出有毒气体。

控制主程序和中断程序如图1所示。算法采用模块化设计，当控制器开启后，系统首先进行初始化，并执行自检子程序检查步进电机是否复位。完成自检子程序之后，系统开中断，包含键盘中断、有毒气体中断及定时中断。定时中断模式开启后，DSP控制器通过A/D模拟数字信号转换接口采集有毒气体和二氧化碳浓度，以及室内温度，并通过联动控制算法控制开窗角度和暖气功率。有毒气体中断包括烟雾、甲醛、二甲苯浓度信号超过设定阈值，控制器立即产生中断并对窗体产生开敞动作以排出有毒气体。键盘中断意味着此时通过键盘对系统进行人工调整，可以对系统参数进行修改。

当执行开窗和暖气的联动控制时，系统成为双输入双输出耦合系统。被控对象分别为窗户和暖气，被控量分别为开窗角度和暖气功率，反馈量分别为二氧化碳浓度传感器和温度传感器检测并送入中央处理器。两个调节器按PID算法计算实时控制量来控制电动执行器1和电动执行器2，构成双输入双输出闭环控制系统。开窗角度会影响室内外能量交换，并相应的影响室内温度，因此属于双输入双输出的耦合系统。

图5展示了本控制系统的应用场景。在建筑室内，控制器及显示屏作为中央处理装置和人机交互模块，可以安置在任何方便使用的位置；传感器装置包括有毒气体传感器、二氧化碳传感器和温度传感器可以安装在墙体内表面；窗体和采暖设备是本系统的控制对象，通过安装在窗户和采暖设备的步进电机达到控制开场角度和采暖功率的目标。

Claims (1)

1.室内建筑能耗和空气质量的综合控制方法，其特征在于：是在一个室内建筑能耗和空气质量综合控制系统下依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，系统构建：

DSP数字信号处理器，温度传感器，烟雾传感器，甲醛传感器、二甲苯传感器以及CO₂传感器，以及包括窗体开启角度控制马达、暖气流量控制马达和排气扇风量控制马达，其中：

DSP数字信号处理器设有：

包括甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度mg/m3和时间min关系曲线，

包括所述甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度的阈值，烟雾、甲醛、二甲苯的浓度阈值；

CO₂浓度阈值，

室内最高、最低二种温度的额定值，

室内CO₂浓度的PID调节控制模块，内设有：控制室内CO₂浓度变化的控制规律，

其中：

V_air(t)：每分钟流向室外的空气体积速率，m³/min，

污染气体在t时刻的浓度，mg/m³，

在t时刻流出室外的空气体积速率，m³/min，

室外污染气体浓度，mg/m³，

V_room：房间容积,m³，

室内温度PID调节模块，输入是室内最高温度额定值和室内最低温度额定值，

还设有：三个中断控制信号输入端，分别与各个所述烟雾传感器，甲醛传感器和二甲苯传感器各自的传感信号输出端相连，一个CO₂浓度信号输入端和一个室内温度信号输入端；

还设有：

单位时间下，室内CO₂浓度变化时的窗体开启角度控制马达的转角θ1值，

单位时间下室温变化时的暖气流量控制马达的转角θ2值，

另外还设有：第一电动执行器输入是输出是窗体开启角度控制马达的转角θ1值，

第二电动执行器输入是单位时间下室温变化控制量，输出是暖气流量控制马达的转角θ2值；

步骤(2)，依次按以下步骤对建筑能耗和空气质量进行综合调节：

步骤(2.1)，判断包括所述甲苯、1,3二氯苯、乙酸乙酯和α-蒎烯在内的污染物浓度是否大于设定的污染物浓度阈值，

若超标则中断，按照污染物浓度→送风量→排风扇的转速的对应关系控制排风扇的转速，直到达标为止，

若达标则执行步骤(2.2)，

步骤(2.2)，判断CO₂浓度是否大于设定的CO₂浓度阈值：

若超标，则所述DSP数字信号处理器依次通过所述CO₂浓度的PID调节控制模块、第一电动执行器调节所述窗体开启角度控制马达的转角θ1值，直到CO₂浓度达标，若未超标，则执行步骤(2.3)，

步骤(2.3)，

判断室内温度是否高于室内最高温度额定值或低于室内最低温度额定值，

若超标，则所述DSP数字信号处理器依次通过所述室内温度PID调节模块，第二电动执行器调节所述的暖气流量控制马达的转角θ2值，直到达标为止；

步骤(3)，循环执行步骤(2.1)～(2.3)，直到达到设定的有限巡回检测次数为止。