CN107390521A - 一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法及试验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法及试验平台，求取温度最佳点包括如下步骤：步骤1，确定室内的测点；步骤2，采集各测点的温度值；步骤3，根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值；步骤4，根据求得的室内温度融合值求取室内温度的最佳测点。本发明先在室内确定若多个测点，然后采集各测点的温度值；再根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值；最后根据求得的室内温度融合值求取室内温度的最佳测点；本发明采用实验数据对室内温度测点分布与布置进行研究，能够找到该对象室内温度最佳测点，能够进一步改善室内温度不均匀性，提高室内舒适性。

Description

一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法及试验平台
【技术领域】
本发明涉及一种室内多传感器测点布置方法，尤其是一种空调系统室内温度最佳测点求取 的方法及试验平台。
【背景技术】
一个建筑无论是办公楼，还是写字楼，其空调能耗均占楼宇能耗的绝大部分，空调系统依 旧在建筑中被普及。尽管变风量空调系统的节能技术已经成熟的应用到实际系统运行当中，并 且其在低负荷时的节能效果比定风量系统要好得多。但是在节能的同时，人们往往忽略了空调 最初始，且最根本的目的，是满足室内人员的热舒适性，即为人们提供一个舒适的环境。
空调不仅调节室内空气的干、热、冷、湿，而且他还可以调节室内空气纯净度，为人们提 供一个舒适的办公和学习休息环境。但是，室内温度传感器测温值随着传感器位置变化，影响 室内温度控制效果与室内人员舒适性。同时，空调房间内不同送风参数下室内速度场和温度场 严重影响室内空气舒适性。
目前，空调系统对于室内温度控制应用较多的是基于室内单一温度传感器检测值的控制， 但是多数室内传感器布置不合适，严重影响对于室内温度的判断，影响系统控制效果，从而容 易引起室内温度分布具有不均匀性，若能够找到室内温度最佳测点，并根据此最佳测点对室内 温度实施控制可以有效改进系统控制效果，改善室内温度不均匀性，提高室内舒适性。因此， 寻找室内温度最佳测点是改善空调房间热舒适性的关键。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法及 验平台，通过本发明能够找到对象室内温度最佳测点，能够进一步改善室内温度不均匀性，提 高室内舒适性。
本发明所采用的技术方案是：
一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法，包括如下步骤：
步骤1，确定室内的测点；
步骤2，采集各测点的温度值；
步骤3，根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值；
步骤4，根据求得的室内温度融合值求取室内温度的最佳测点。
所述步骤1中，确定室内的测点时，温度传感器布置平面高度为：0.1m、0.6m、0.75m、 1.1m、1.7m和1.9m，墙面有外部窗户时，测量距离最大中心窗户向内至少1.0m。
所述步骤1中，在有座位的办公区域，若不能估计室内人员分布，则在每个房间墙内距离 墙面1.0m位置布置测点，同时将一个测点置于区域中心位置。
所述步骤3中，根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值的步骤如下：
1)根据递推地算出在采样时刻k时各个测点的温度传感器的自协方差；
2)再求出在采样时刻k时相互独立温度测点的传感器的互协方差；
3)再求出在采样时刻k时，各个测点的温度传感器的方差；
4)再求出各测点的传感器在采样时刻k时的最优加权因子；
5)再求取各个测点的传感器在时刻k时的历史数据均值；
6)再通过步骤5)得到的历史数据均值求得在采样时刻k时的估计值。
所述步骤4中，将步骤3求取的温度融合值与室内温度传感器的真实值做差后求取其绝对 值，取绝对值最小时所对应的测点位置为该房间室内温度最佳测点。
一种空调系统室内温度最佳测点求取的试验平台，包括上位机，上位机上连接有PLC控 制器，PLC控制器上连接有多个用于采集温度的温度传感器，温度传感器设置在用于安放温度 传感器的试验平台框架内。
所述实验平台框架为长方体框架，其长边、宽边和高均为可伸缩边，长边的长度为0.6m， 最大长度为2.40m，宽边的长度为1.43m，最大长度为2.68m，高的高度为1.2m，最大高度为 2.4m，框架的底部设置有轮子，框架的最低水平面不高于0.10m。
实验平台框架上距地面0.1m、0.6、0.75m、1.1m、1.7m和1.9m的水平面上均设置有温度 传感器。
本发明的有益效果是：
本发明先在室内确定若多个测点，然后采集各测点的温度值；再根据室内温度的实测数据 求取室内温度融合值；最后根据求得的室内温度融合值求取室内温度的最佳测点；本发明采用 实验数据对室内温度测点分布与布置进行研究，能够找到该对象室内温度最佳测点，能够进一 步改善室内温度不均匀性，提高室内舒适性；通过得到的室内最佳测点仿真模拟控制室内温度 达到设定值的调节时间小于其非最佳测点的调节时间，有效缩短室内温度达到设定值系统的调 节时间时，会减小系统的运行时间，从而能够减小系统由于运行时间较长而产生的那部分能耗， 对于室内温度最佳测点的控制效果优于室内其他测点的控制，为变风量空调系统室内温度最佳 测点控制提供参考依据。
【附图说明】
图1为本发明的试验平台框架设计原理图；
图2为本发明室内温度最佳测点试验平台硬件接线图；
图3为本发明室内温度最佳测点试验平台数据采集系统示意图
图4为本发明的室内温度最佳测点试验平台控制系统结构图；
图5为本发明多传感器自适应加权算法融合流程图；
图6为本发明的室内温度最佳测点试验平台对室内温度最佳测点控制原理示意图；
图7为通过本发明的实验平台测得的室内测量温度26.193℃的理想信号与追踪信号的偏 差信号图；
图8为通过本发明的实验平台测得的室内测量温度26.193℃的调节器输出信号图；
图9为通过本发明的实验平台测得的室内测量温度26.193℃的自适应控制参数k0、k1、 k2；
图10通过本发明的实验平台测得的室内测量温度25.723的理想信号与追踪信号的偏差信 号；
图11通过本发明的实验平台测得的室内测量温度25.723的调节器输出信号；
图12通过本发明的实验平台测得的室内测量温度25.723的自适应控制参数k0、k1、k2；
图13通过本发明的实验平台测得的传感器安装位置示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明为解决现有技术中的问题，采用的技术方案是：首先选取合适实验对象，综合考虑 室内空气温度、湿度、气流速度和平均辐射温度4要素对室内舒适性的影响设计室内温度测点； 模拟不同送风风速下室内温度测点温度分布情况，判断测点布置是否合理；根据测点布置情况 在自主开发的室内温度测点研究平台上实时采集各测点温度传感器的温度值，并求取不同工况 下的室内温度最佳测点。本发明实现了室内最佳测点的求取，并发现最佳测点对室内温度的控 制效果较非最佳测点的控制效果好，具有更好的实际应用价值。
实施例
第一部分：
说明本发明最佳测点求取的方法完整的步骤如下：
步骤1：确定室内的测点；
步骤2：室内温度测点研究平台开发；
步骤3：根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值，具体实施步骤如下：
1)根据递推地算出采样时刻k各个传感器的自协方差Rii(k)和Rit(k)；
2)求出采样时刻k两个相互独立的传感器i和t的互协方差Rit′(k)＝Rit；
3)求出采样时刻k各个传感器的方差δi 2＝Rii-Rit；
4)求出各传感器采样时刻k的最优加权因子wi *；
5)求取各个传感器时刻k的m个历史数据均值
6)求得采样时刻k的估计值
步骤4：根据求得的温度数据融合值求取室内温度的最佳测点；
步骤5：最佳测点的室内温度调节。
所述步骤1中：根据居住者能够接受的一个合理的空间热环境情况，实现室内温度测点布 置。其中，将影响人体冷热感觉的各种因素所构成的环境称为热环境，而热舒适是指人们对所 处的微小气候产生的不冷不热的主观感觉，室内热环境由室内空气温度、湿度、气流速度和平 均辐射温度4要素综合形成，以人的热舒适程度作为评价标准，影响人体舒适性的还有个人因 素的人体新陈代谢率和服装热阻，不涉及空气质量、声学和照明等非热环境因素。墙面有外部 窗户，测量应该距离最大中心窗户向内1.0m。任何情况均应在最极端的热环境情况下对环境 进行预测，如：窗户周围、混合窗口、角落和入口。同时，因传感器在集中安装时，最小安装 距离不小于10mm，所以任何允许完全循环的测量传感器表面有10mm的距离。在测量空气温 度和空气流速时，应该考虑坐着人脚踝0.1m、手腕0.6m、头部1.1m；同样应考虑站着人脚踝 0.1m、手腕1.1m、头部1.7m。同时经调查发现，室内办公人员吹风感及舒适性最敏感部位在 办公桌水平面所处平面，所以考虑办公桌面高度相近的0.75m测量平面。室内人员身高高度参 差不齐，但高度普遍存在1.6m至1.85m，全面考虑室内人员吹风感及舒适性，考虑1.9m的测 量平面。
温度传感器布置平面高度为：距地面0.1m、0.6m、0.75m、1.1m、1.7m和1.9m。
在有座位的办公区域，若不能估计室内人员分布，则在每个房间墙内距离墙面1.0m位置 布置测点，同时将一个测量点设置于区域中心位置。房间北墙面距中心的距离为1.18m，大于 标准建议的墙内1m，而房间总长为2.68m，在不影响数据采集准确性综合考虑将在距离北墙 0.5m处安装传感器。东墙面一半以上为玻璃，面积为2.145×1.4m，占整面墙面积的40.9％， 为极端环境，并且东面墙距房间中心的距离为1.34m，同样大于标准建议的墙内1.0m，在不影 响数据采集的准确性综合考虑将在距离东墙0.4m处安装传感器。
南面墙的玻璃面积为2.28×1.4，占整面墙面积的50.3％，同样为极端环境，并且南面墙距 房间中心的距离为1.18m，同样大于标准建议的墙内1.0m，在不影响数据采集准确性综合考虑 将在距离东墙0.4m处安装传感器。西面墙距房间中心的距离为1.34m，同样大于标准建议的 墙内1.0m，在不影响数据采集的准确性综合考虑将在距离东墙0.5m处安装传感器。
所述步骤2中：首先平台框架设计，如图1所示：实验平台框架为长方体框架，其长边、 宽边和高均为可伸缩边，实验平台框架的AA`＝BB`＝CC`＝DD`，其长度为1.20m的可伸缩，最 长可伸缩至2.40m；结构如图所示，框架内部两侧面为镂空面，而外部两侧面为整平面。面对 不同的对象模型，AB＝A`B`＝D`C`＝DC，其长度为1.43m的可伸缩方形管，且最最大长度为2.68m (其中，房间长为2.68m)。
AD＝A`D`＝BC＝B`C`，其长度为0.60m的可伸缩，支架进入房间的门宽度0.70m；四级伸 缩，最长可伸缩至2.40m(其中，房间长为2.40m)。
其他三个竖直方向与该交结构AA`类似，内部两侧为镂空，这样设计方便内部传感器的布 置，及日后每个人可依据自己的测点设计来进行传感器的布置。
在框架底部的四个角安装底轮，方便移动。由于传感器的设置的最低布置平面高度为 0.1m，所以仍需满足框架的最低水平面不高于0.10m。
在支架的每个在每个伸缩节点处均安装起固定作用的装置，如翼型螺丝，方便手动操作。
面对不同的对象模型，按照房间的实际尺寸对平台的长宽高稍做修改即可。在本平台中， 平台的长等于实际房间对象模型长的1/2；平台的高等于实际房间对象模型高的1/2；对另外一 边的长度等于实际房间对象模型的1/4且小于入户门的宽度。
平台数据通讯，依据温度传感器型号、精度，并结合实验自身特点综合考虑，选择HT10 温湿度变送器作为本实验平台数据采集器；根据不同型号CPU参数及价格，并结合实验室自 身特点初步选择CPU224XP-CN为本平台CPU，并共有6个扩展模块(4个EM235CN、1个EM231CN、1个CP 243-1)。
此平台采用多个传感器对室内温度进行实时采集，并将采集到数据通过以太网上传到上位 机。该实验平台主要由CPU(s7200系列PLC及其扩展模块)、温度传感器、平台支架、数据 线、上位机(包括STEP7、PC Access、OPC软件)组成，能够依次将温度传感器输入的温度 信号进行转换和处理，直接完成所测温度值在上位机中的数字显示及保存。室内温度测点研究 平台硬件接线图，如图2所示。
从图2可以看出，模块中RN/N+(N＝A、B、C、D)为数据端子，通过温度和湿度的数 据线，将温湿度交替接入数据端的温湿度变送器采集的数据传输到PLC中；HT10温湿度变送器实时采集房间温湿度数据，并通过以太网输送至上位机。
对于不同的对象，使用者可以切合实际选择不同的模块类型。室内温度测点研究平台的数 据采集系统示意图，如图3至图4所示。
图3是图4中室内环境监测系统的单独描述。图4中现场层的室内环境监测系统由图3 中的多个传感器搭建而成；图4中与室内环境监测系统的控制单元PLC与图3的PLC控制器 为同一PLC模块；图3的上位机与PLC控制器连接与图4中PLC控制单元通过以太网接口Ethernet相连接再与管理层的上位机相连接所实现的功能相同。图3中，若干传感器所采集的 数据信息通过数据线传输到PLC，并通过上位机读取传感器的数据信息。
图4中，管理层主要是对整个空调系统运行状态及设备运行参数的监控，包括数据存储系 统、各设备运行状态及故障状态。控制层中AHU1和AHU2控制、冷冻水系统控制、冷却水 系统控制及VAVBOX控制通过串口通信单元和I/O模块对现场各个部件的控制及各个设备运 行数据采集和处理；本发明在原有实验平台基础上采用s7-200 224XP及其扩展模块实现了室 内环境测量系统，通过I/O端子通过信号线对各个传感器数据采集和处理。现场层为RS485 总线连接的多个电量变送器、变频器以及传感器、执行器，可对相关变量(温度、湿度、流速、 静压等变量)进行采集，并通过执行器对其实现控制。其中管理层与控制层通过以太网接口连 接，利用OPC Serve完成上位机中监控系统和控制层之间的通讯。
所述步骤3中：结合如图13，以及各个传感器与在实际中的位置对应表，如表1所示， 表1为各个传感器与实际位置对应的表。
表1
根据融合算法对上述48个传感器在测点平台上求取室内最佳测点温度值。型号相同的多 个温度传感器自适应加权算法具体计算流程，如图5所示。
采样k次后，将不同工况下室内48个温度传感器检测值经过自适应加权融合算法得到不 同工况下室内48个温度值的融合值。融合值是将室内多个温度测点的不同因素综合考虑，形 成对室内温度更加可靠的判断，则其比未融合前任意一个传感器传递的信息更具代表性。取此 温度融合值与室内多个温度传感器真实值的差的绝对值最小的传感器所对应的位置为最佳测 点。不同工况温度融合值，如表2所示，表2为温度数据融合结果。
表2
由表1中室内温度的最佳测点和表2中的传感器所对应的具体位置可得，在该模型中的多 个传感器检测的室内温度值经过数据融合后，与室内温度实测值的位置对比，室内温度的最佳 测点出现在0.75m及1.1m两个平面。
所述步骤4中：多传感器信息融合是把系统中各传感器提供的数据信息综合起来，形成对 周围环境实况更可靠的判断，即使环境发生变化，系统部分设备有技术故障或损坏也可形成对 周围环境实况更可靠的判断，将求取的温度融合值与室内温度传感器的真实值做差后求取其绝 对值，取绝对值最小时所对应的传感器位置为该房间相对的最佳测点。
所述步骤5中：在MATLAB环境中依据求取的室内温度最佳测点实现空调房间温度模拟 仿真控制，并分析对于室温的最佳测点控制结果优于其周围非最佳测点的控制结果，为实现变 风量空调系统室内温度最佳测点的控制提供了参考依据，具有更好的实际应用价值。
第二部分：
使用MATLAB软件环境对室内温度双闭环控制系统进行仿真。根据这个优化控制思路， 本文设计了模型参考自适应控制方式利用最佳测点温度实现室内温度控制，具体实施方案如图 6所示。
图6中VAV BOX与空调房间通过送风管连接，空调回风即空调房间引出的空调回风管； 本发明的研究对象中风阀、风量传感器、风阀执行器及风量控制器均位于VAV BOX内部，并 通过信号线连接；温度传感器按照所设计的温度测点在空调房间内布置；数据融合、温度设定 值及温度控制器在上位机中进行设计并完成相应功能；最佳测点温度通过数据融合结果计算的 最佳测点位置所读取到上位机的室内布置测点的温度值。
空调房间内布置多个温度传感器，将温度传感器采集的多个温度数据进行数据融合并求取 及空调房间室内温度最佳测点。室内温度最佳测点的检测温度与室内温度设定值比较并通过温 度控制器修改风量控制器的设定值；VAV BOX内的风量传感器实时检测的室内送风量与风量 设定值比较，通过风量控制器的输出信号控制风阀执行器修改风阀开度，调节VAV BOX送风 量，最终使得房间温度达到设定值。由图6可知，室内温度设定与室内温度最佳测点的检测值 进行比较，偏差通过温度控制器输出一个控制信号为风量设定值，与风量传感器检测的风量反 馈值进行比较，通过风量控制器输出一个控制信号为风阀开度，调节风阀执行器，改变风阀开 度，调节送风风量，最终使房间温度达到设定值。
在MATLAB软件环境，对某一送风频率室内温度最佳测点与几个非最佳测点对室内温度 实施控制。变风量空调系统根据参考模型与被控对象模型的输出偏差对系统进行自适应调节， k0、k1、k2为自适应规律。k0、k1、k2主要用于反映最佳测点与非最佳测点自适应控制的调 节时间，并通过自适应参数的调节时间对比证明控制效果。
k0＝ka e/s
k1＝kb yp e/s
k2＝kc yp e/[s(s+5)]
e＝yp-ym
其中，yp为被控对象模型输出，由所研究对象的模型决定；
ym为参考模型输出，由所选择的参考模型决定；
ka、kb、kc为增益，在仿真运行时根据运行结果手动调节；
s为复变量。
从已知最佳测点的位置读取室内最佳测点温度值。室内最佳测点与周围的其他任意两个非 最佳测点的温度控制对比并验证室内最佳测点的可行性，如图7至图12所示。
测量温度为点26.193℃时，与室内设定值26℃偏差0.193℃。在信号追踪过程中，理想信 号与追踪信号的偏差小，在[-0.1 0.2]之间波动，理想信号与追踪信号的运动轨迹在160s后偏 差几乎为零；调节器输入信号在刚开始最为强烈并呈逐渐减小的趋势，直到160s时控制输入 信号几乎为零；控制器参数的自适应变化过程如k0、k1、k2；
图9及图12中k0、k1、k2为所设计的自适应规律在室内温度控制的自适应调节过程中的 参数变化情况。
对室内最佳测点26.193℃及其周围的其他任意两个测点(25.943℃和27.543℃)，进行对 比分析。通过智能控制方法对室内温度进行控制，模拟控制结果如表3所示，表3为最佳测点 温度与周围测点温度模拟运行对比情况。
表3
从表3可知，以最佳测点的温度测量值对室内温度进行模拟控制，使室内温度达到室内温 度设定值所需时间为140s；室内温度为25.723℃对室内温度进行模拟控制，使室内温度达到 室内温度设定值所需时间为210s；室内温度为27.543℃对室内温度进行模拟控制，使室内温 度达到室内温度设定值所需时间为225s。综上可知，基于室内最佳测点的室内温度控制效果 远优于非最佳测点的温度控制效果。
第三部分：
列举各种实施例
以实验对象为例：
北墙面距房间中心的距离为1.18m，略微大于标准建议的墙内1m，而房间总长为2.68m， 在不影响数据采集的准确性，将1m减小1/2的距离，在距离北墙0.5m处安装传感器；
东墙面中玻璃面积为3.186m2，占整面墙面积的56.25％，为极端环境，并且东面墙距房 间中心的距离为1.34m，同样略微大于标准建议的墙内1.0m，在不影响数据采集的准确性，将 1.0m减小3/5的距离，并考虑送风口位置，在距离东墙0.4m处安装传感器。
南墙面中玻璃面积为2.4m2，占整面墙面积的48％，同样为极端环境，并且南面墙距房 间中心的距离为1.18m，同样略微大于标准建议的墙内1.0m，在不影响数据采集的准确性，且 考虑回风口的位置，将1.0m减小3/10的距离，并考虑送风口位置，在距离东墙0.4m处安装 传感器。
西面墙距房间中心的距离为1.34m，同样略微大于标准建议的墙内1.0m，在不影响数据采 集的准确性，将1.0m减小1/2的距离，并考虑回风口位置，在距离东墙0.5m处安装传感器。
面对不同的对象模型，使用者可以按照该传感器的布置平面进行布置，并参考该传感器测 点的布置方式对同样极端条件下的房间模型进行传感器测点的布置。
建议传感器在安装时，最小安装间隔不小于10mm。综上所述，该房间对象的传感器安装 位置示意图如图13所示，同一水平面传感器编号：3-2，3-3，3-4；2-2，2-3，2-4；1-3，1-4。

Claims (8)

1.一种空调系统室内温度最佳测点求取的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，确定室内的测点；
步骤2，采集各测点的温度值；
步骤3，根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值；
步骤4，根据求得的室内温度融合值求取室内温度的最佳测点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，确定室内的测点时，温度传感器布置平面高度为：0.1m、0.6m、0.75m、1.1m、1.7m和1.9m，墙面有外部窗户时，测量距离最大中心窗户向内至少1.0m。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，在有座位的办公区域，若不能估计室内人员分布，则在每个房间墙内距离墙面1.0m位置布置测点，同时将一个测点置于区域中心位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，根据室内温度的实测数据求取室内温度融合值的步骤如下：
1)根据递推地算出在采样时刻k时各个测点的温度传感器的自协方差；
2)再求出在采样时刻k时相互独立温度测点的传感器的互协方差；
3)再求出在采样时刻k时，各个测点的温度传感器的方差；
4)再求出各测点的传感器在采样时刻k时的最优加权因子；
5)再求取各个测点的传感器在时刻k时的历史数据均值；
6)再通过步骤5)得到的历史数据均值求得在采样时刻k时的估计值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，将步骤3求取的温度融合值与室内温度传感器的真实值做差后求取其绝对值，取绝对值最小时所对应的测点位置为该房间室内温度最佳测点。
6.一种空调系统室内温度最佳测点求取的试验平台，其特征在于，包括上位机，上位机上连接有PLC控制器，PLC控制器上连接有多个用于采集温度的温度传感器，温度传感器设置在用于安放温度传感器的验平台框架内。
7.根据权利要求6所述的试验平台，其特征在于，所述实验平台框架为长方体框架，其长边、宽边和高均为可伸缩边，长边的长度为0.6m，最大长度为2.40m，宽边的长度为1.43m，最大长度为2.68m，高的高度为1.2m，最大高度为2.4m，框架的底部设置有轮子，框架的最低水平面不高于0.10m。
8.根据权利要求7所述的试验平台，其特征在于，实验平台框架上距地面0.1m、0.6、0.75m、1.1m、1.7m和1.9m的水平面上均设置有温度传感器。
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