CN107544375A - 一种家用住宅空气品质控制策略分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种家用住宅空气品质控制策略分析系统，其方法是：A.获取室外气象参数和建筑平面布局图信息；B.建立建筑的多区域网络数学模型；C.利用正交试验分析平台设计多区域网络模型需要计算的工况信息；D.利用正交试验分析平台分析多区域网络模型反馈数据，给出室内空气品质改善策略。设备包括微型风速风向仪，WIFI传输模块；本发明利用自然通风规律，提出的改善室内空气品质的控制策略没有产生额外的能源消耗，具有显著的节能环保效益；本发明能够针对不同的住宅快速地给出室内各个房间的污染情况，并按照用户需求给出个性化控制策略，对于用户关注的区域内空气品质的改善有着显著的效果。
Description
技术领域
本发明涉及室内空气品质评价与反馈控制领域，特别是涉及一种家用住宅空气品质控制策略分析系统。
背景技术
人的一生有超过80％的时间都是在室内度过，室内空气品质的优劣直接影响到人类的健康以及舒适性，其中住宅建筑作为功能较为齐全的室内空间，其污染物种类多样，对于室内空气品质的研究日益为人们所重视。特别地，厨房作为烹饪场所，在烹饪过程中产生大量的燃烧产物以及油烟颗粒物，严重影响住宅室内的空气品质。
为降低厨房污染水平，授权公开号CN206001580U发明了一种带个性化空气净化器的油烟机，虽然该装置实现了对人体头部呼吸区的空气品质的控制，减少了油烟颗粒物和气体对人体的危害，降低了厨房内空气的污染水平，但并没有考虑其他功能房间空气品质的状况。为此，授权公开号CN104896694A公开了一种室内空气净化调节系统，该系统能够实时的对室内空气品质进行有效的检测，并通过对新风风机的实时控制保证了室内空气的品质。然而在提倡节能环保的新时代大背景下，其产生的大量能源消耗的弊端则凸显出来。与此同时，自然通风的应用作为我国现阶段建筑节能和提高室内空气品质的一个重要途径，并且以其无耗能这一独特优势越来越被相关人员高度重视。
发明内容
有鉴于此，利用室外风速风向能对室内气流分布产生不同作用，进而对室内空气污染物的传播产生不同的效应这一特性，本发明提供了一种家用空气品质改善策略分析系统，该系统通过分析室外风速风向给出用户在烹饪期间对于其他功能房间室内空气品质改善控制策略。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种家用住宅空气品质控制策略分析系统，其方法如下：
A.获取室外气象参数和建筑平面布局图信息；
B.建立建筑的多区域网络数学模型；
C.利用正交试验分析平台设计多区域网络模型需要计算的工况信息；
D.利用正交试验分析平台分析多区域网络模型反馈数据，给出室内空气品质改善策略。
本发明的分析系统，设备包括微型风速风向仪，WIFI传输模块；具体实施步骤如下：
①利用微型风速风向仪检测的风速风向气象数据通过WIFI传输模块输送到云服务器；
②所述建筑平面布局图由住宅用户通过人机交互面板提交到云服务器；
③通过云服务器的反馈作用分别将建筑平面信息传输到正交试验分析平台和多区域网络模型平台；
④云服务器又同时从预先存储到其中的围护结构气密性数据库中调取相应的建筑围护结构参数数据，作为多区域网络模型的数据输入，完成数学模型的搭建；
⑤多区域网络模型平台按照正交试验分析平台提供的设计方案进行模拟计算；
⑥将计算结果反馈到正交试验分析平台；
⑦利用正交试验分析平台分析后的结果通过云服务器传递到人机交互面板，给出最终住宅空气品质控制策略。
所述风速风向仪布置在建筑屋顶最高处，用于实时监测室外风速及风向。
所述WIFI传输模块按照程序控制将上述风速风向数据采集后，通过住户家用WIFI传输到云服务器。
所述云服务器通过住户家用WIFI分别与WIFI模块和人机交互面板进行通信连接。
所述云服务器通过WIFI模块收集室外风速风向气象数据，用于指导多区域网络模型的搭建；云服务器通过人机交互面板获取用户指令，并按照指令对其它部分进行控制。
所述人机交互面板作为用户与云服务器交流的媒介，是通过软件操作界面完成，在设计之初用户利用该软件将建筑平面图传输到云服务器，在后期应用中用户同样通过该软件将关注的功能房间及相应的权重信息传达到云服务器。
所述正交试验分析平台是利用正交设计助手建立而成，通过该平台可以根据建筑平面图给出正交设计方案，作为多区域网络模型平台计算的指导依据；在获得多区域网络模型平台计算的结果后进行数据分析，给出室内空气品质控制的策略。
所述多区域网络模型平台是搭载美国国家标准和技术研究所下属的建筑和火灾研究实验室开发的CONTAM软件建立而成。
所述围护结构气密性数据库是依据美国采暖，制冷与空调工程师学会标准中的气密性标准进行收集的，其中主要包括建筑围护结构中门、窗、楼板等按照其材质及类型给出的有效渗透面积推荐值数据，对于住宅建筑将不同材质以及不同类型的门窗等建筑围护结构的气密性数据集成在一个以LB3为后缀的文件内，该文件可以由CONTAM软件直接识别调用，按照用户提供的建筑围护结构材质以及类型信息进行选取相应的气密性数据，以此作为多区域网络模型平台中各个区域气流路径的设计输入参数。
本发明利用自然通风规律，提出的改善室内空气品质的控制策略没有产生额外的能源消耗，具有显著的节能环保效益；再者，本发明能够针对不同的住宅快速地给出室内各个房间的污染情况，并按照用户需求给出个性化控制策略，对于用户关注的区域内空气品质的改善有着显著的效果。
附图说明
图1本发明系统的原理框图；
图2建筑平面布局图；
图3多区域网络模型图；
图4围护结构气密性数据库；
图5正交试验设计分析。
具体实施方式
以下按照具体的实施方式对本发明做进一步的介绍：
如图1所示，所示系统需要的主要硬件包括微型风速风向仪，WIFI传输模块。具体实施步骤如下：①利用微型风速风向仪检测的风速风向气象数据通过WIFI传输模块输送到云服务器；②所述建筑平面布局图由住宅用户通过人机交互面板提交到云服务器；③再通过云服务器的反馈作用分别将建筑平面信息传输到正交试验分析平台(进行正交试验设计)和多区域网络模型平台(进行物理模型的建立)；④相应地，云服务器又同时从预先存储到其中的围护结构气密性数据库中调取相应的建筑围护结构参数数据，作为多区域网络模型的数据输入，完成数学模型的搭建；⑤紧接着，多区域网络模型平台按照正交试验分析平台提供的设计方案进行模拟计算；⑥接着将计算结果反馈到正交试验分析平台；⑦利用正交试验分析平台分析后的结果通过云服务器传递到人机交互面板，给出最终室内空气品质改善策略。
所述风速风向仪通常布置在建筑屋顶最高处，用于实时监测室外风速及风向，采用市售的风速风向仪即可。
所述WIFI传输模块按照程序控制将上述风速风向数据采集后，通过住户家用WIFI传输到云服务器，采用市售的即可。
所述云服务器通过住户家用WIFI分别与WIFI模块和人机交互面板进行通信连接，更详细地，云服务器通过WIFI模块收集室外风速风向气象数据，用于指导多区域网络模型的搭建；再者，云服务器通过人机交互面板获取用户指令，并按照指令对其它部分进行控制；
所述人机交互面板作为用户与云服务器交流的媒介，是通过软件操作界面完成，更详细地，在设计之初用户利用该软件将建筑平面图传输到云服务器，在后期应用中用户同样通过该软件将关注的功能房间及相应的权重信息传达到云服务器。
所述正交试验分析平台是利用正交设计助手建立而成，通过该平台可以根据建筑平面图给出正交设计方案，作为多区域网络模型平台计算的指导依据；更进一步地，在获得多区域网络模型平台计算的结果后进行数据分析，给出室内空气品质控制的策略；
本发明的正交试验分析平台主要就是利用正交设计助手这个软件，如图5展示的就是这个软件的一个界面，这个软件是用来进行试验设计的，把想要考虑的因素以及每个因素对应的水平输入进去，这个软件就可以按照一定的算法进行排列组合进行试验设计，给出各个门开启与关闭的组合状态，以此作为后边利用多区域网络模型进行模拟状态的依据。这个属于软件自身的功能。
所述多区域网络模型平台是搭载美国国家标准和技术研究所下属的建筑和火灾研究实验室开发的CONTAM软件建立而成，该软件广泛应用于室内空气品质及通风设计分析中。对于给定的建筑平面布局，通过用户输入围护结构气密性数据以及建筑外气象参数(室外风速、风向)，能够快速地模拟出受室内污染物传播生物影响各个房间内的污染物浓度水平；多区域网络模型平台主要是利用CONTAM这个软件，这个软件主要的目的就是用来计算建筑内各个房间的通风量以及各个房间内污染物的传播，分析各个房间内污染物浓度。
所述围护结构气密性数据库是依据美国采暖，制冷与空调工程师学会(ASHRE)标准中的气密性标准进行收集的，其中主要包括建筑围护结构中门、窗、楼板等按照其材质及类型给出的有效渗透面积推荐值数据，更进一步地，对于住宅建筑将不同材质以及不同类型的门窗等建筑围护结构的气密性数据集成在一个以LB3为后缀的文件内，该文件可以由CONTAM软件直接识别调用，按照用户提供的建筑围护结构材质以及类型信息进行选取相应的气密性数据，以此作为多区域网络模型平台中各个区域气流路径的设计输入参数。这个数据库可以直接结合到CONTAM软件中，只需要按照建筑围护结构的类型进行选取即可。本发明的有益效果在于：
下面例举一个具体例子，对本发明进行说明，但具体尺寸和位置等不是唯一要求，根据具体条件适当改变和重新组合，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
实施例：
作为一个具体的实施例子，选取天津市一普通家庭住宅作为说明载体，其建筑平面布局图如图2所示，具体地，该建筑共有七个功能房间，分别为1-厨房(1.9㎡)、2-洗碗间(4.2㎡)、3-书房(11.6㎡)、4-储物间(7.7㎡)、5-客厅(24.0㎡)、6-卧室(16.5㎡)和7-卫生间(6.1㎡)，建筑层高为2.6m。微型风速风向仪放置于建筑屋顶最高处，用于实时监测室外风速风向，WIFI传输模块集成在风速风向仪内。在设计之初，用户通过人机交互面板将该建筑平面布局图传送到云服务器，利用多区域网络平台完成物理模型的建立，如图3所示，各个区域所代表的房间信息同图2建筑平面布局图相对应。进一步地，云服务器从预先存储在其中的围护结构气密性数据库提取围护结构门窗气密性数据导入到多区域网络平台的CONTAM软件中，该数据库中各个元素的由四部分组成：组件名称，描述语、建筑类型和气密性值，如图4(a)所示，详细地来说，如图4(b)展示了住宅浴室门开启时的等效渗透面积信息(DRBAOP_RM)，给出了等效渗透面积测试时的标准条件(流量系数：1；流量指数：0.65；参考压差：4Pa)和等效渗透面积(1.3㎡)。类似地，通过从数据库中进行选取，完成建筑围护结构气密性参数的确定，并与由WIFI模块获得的室外风速风向数据(本次为风速1m/s,风向为正北向)一同传输到多区域网络模型平台，完成建筑多区域网络模型数学模型的建立。
较佳地，为了满足不同住户的个性化需求，人机交互面板设置有考察对象初步选择功能，针对本实施例子，可考察对象有书房门、卧室门、储物间门和卫生间门的开启状况，一般地，卫生间门基本处于关闭状态，因此将卫生间门的状况不作为考察对象，再者，考虑到人员在卫生间停留的时间较短，因此也不对卫生间区域内空气品质做分析；进一步地，用户通过人机交互面板将经过用户筛选过后所需要考察的对象信息传输到云服务器，作为正交试验分析平台设计的依据。对于本例，经过用户初步筛选，正交试验确定为三因素二水平，具体状态如表1所示。比如图4给的例子，图4(a)是CONTAM将数据库调用出来后的界面，图4(b)展示的是具体的一个围护结构气密性数据：DRBAOP_RM，表示的就是住宅浴室门开启时的等效渗透面积信息，选取的标准就是给出具体的围护结构描述，比如确定是哪里的门，门是开的还是关闭的状态。
图4展示的是CONTAM调取气密性数据库后的界面，显示的是数据库中的内容。图5是正交试验分析平台利用正交试验助手软件进行试验分析的结果图，包括:按照用户给出的因素及水平进行排列组合后的试验设计，以及对应每一个试验利用多区域网络模型平台计算的结果。而图3给出的是对于建筑建立的模型，模型中围护结构的尺寸参数由建筑平面图给出，按照图5中每一个试验设计，可以确定建筑围护结构的状态(比如开启还是关闭)，然后按照这个状况从围护结构气密性数据库中选取对应的数据，这样就完成了多区域网络模型的数学模型的建立，然后就能够运行CONTAM软件进行模拟，把模拟的结果再返回到正交试验设计平台中进行分析。
表1.因素水平表
针对于此，正交试验分析平台采取L4(23)正交试验表进行模拟工况设计，具体模拟方案如表2所示，至此完成了模拟工况的设计。
表2.模拟工况设计
进一步地，正交试验分析平台将每次需要模拟工况所需要的参数(围护结构气密性参数，室外风速风向参数)作为边界条件输入到多区域网络模型平台进行各个区域房间内污染物浓度状况模拟计算，最后将计算的结果反馈到正交试验分析平台，更准确地来说，反馈的结果为各个功能房间对于厨房区域相对暴露量值(R),其由以下公式(1)计算得到：
在公式(1)中，Ci为考察的功能房间内污染物浓度，Ck为厨房内污染物浓度，进一步地，相对暴露量表征的是在考察时间段内(通常为两个小时)功能房间相对于厨房内污染水平。对于本实例，各个模拟工况下对应的R值如表3所示。较佳地，为了更加直观给出各个指标的优劣，采用十分制评分法，对各个指标进行打分：将每项指标的优秀值(即R值最小)定为10分，同时将每项指标的最差值(即R值最大)定为1分，对其它号实验得到的该指标值按等比例进行插值打分，最后得分情况如表3所示。
表3.模拟指标评价表
较佳地，为体现用户对不同功能房间关注程度，在人机交互面板上允许用户对不同功能房间设置不同的关注权重，并给出对应的加权系数，相应地，该项指标最后得分为上述得分与加权系数的乘积。示例性地，本实例较为关注书房和客厅内的空气品质，并给出权重为2，卧室权重为1，则最后各个指标的最后综合得分情况如表4所示。
表4.综合评分分析表
正交试验分析平台通过以上的分析后将综合得分作为最后的评价指标进行综合分析，其结果如上表4所示，依照正交试验分析知识可知，2号模拟工况综合得分最高，即对于用户设定的考察对象而言，最佳的组合工况为关闭书房门，开启卧室和储物间门，进一步地，由图5正交设计分析结果可知卧室门的开闭状况对用户考察区域的综合空气品质影响作用最大。自此通过该空气品质控制策略系统完成了室内控制方案的分析。
基于上述分析得到的控制策略结果通过云服务器反馈至人机交互面板呈现给用户，即建议用户此次烹饪过程中关闭书房门，同时打开卧室和储物间门。进一步地，也可以通过发短信、微信等多样形式向用户及时提供空气品质控制策略。
本发明公开和提出的家用住宅空气品质控制策略分析系统，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (10)
1.一种家用住宅空气品质控制策略分析系统，其特征是方法如下：
A.获取室外气象参数和建筑平面布局图信息；
B.建立建筑的多区域网络数学模型；
C.利用正交试验分析平台设计多区域网络模型需要计算的工况信息；
D.利用正交试验分析平台分析多区域网络模型反馈数据，给出室内空气品质改善策略。
2.如权利要求1所述的分析系统，其特征是设备包括微型风速风向仪，WIFI传输模块；具体实施步骤如下：
①利用微型风速风向仪检测的风速风向气象数据通过WIFI传输模块输送到云服务器；
②所述建筑平面布局图由住宅用户通过人机交互面板提交到云服务器；
③通过云服务器的反馈作用分别将建筑平面信息传输到正交试验分析平台和多区域网络模型平台；
④云服务器又同时从预先存储到其中的围护结构气密性数据库中调取相应的建筑围护结构参数数据，作为多区域网络模型的数据输入，完成数学模型的搭建；
⑤多区域网络模型平台按照正交试验分析平台提供的设计方案进行模拟计算；
⑥将计算结果反馈到正交试验分析平台；
⑦利用正交试验分析平台分析后的结果通过云服务器传递到人机交互面板，给出最终住宅空气品质控制策略。
3.如权利要求2所述的分析系统，其特征是将风速风向仪布置在建筑屋顶最高处，用于实时监测室外风速及风向。
4.如权利要求1所述的分析系统，其特征是所述WIFI传输模块按照程序控制将上述风速风向数据采集后，通过住户家用WIFI传输到云服务器。
5.如权利要求2所述的分析系统，其特征是所述云服务器通过住户家用WIFI分别与WIFI模块和人机交互面板进行通信连接。
6.如权利要求5所述的分析系统，其特征是云服务器通过WIFI模块收集室外风速风向气象数据，用于指导多区域网络模型的搭建；云服务器通过人机交互面板获取用户指令，并按照指令对其它部分进行控制。
7.如权利要求2所述的分析系统，其特征是所述人机交互面板作为用户与云服务器交流的媒介，是通过软件操作界面完成，在设计之初用户利用该软件将建筑平面图传输到云服务器，在后期应用中用户同样通过该软件将关注的功能房间及相应的权重信息传达到云服务器。
8.如权利要求2所述的分析系统，其特征是所述正交试验分析平台是利用正交设计助手建立而成，通过该平台可以根据建筑平面图给出正交设计方案，作为多区域网络模型平台计算的指导依据；在获得多区域网络模型平台计算的结果后进行数据分析，给出室内空气品质控制的策略。
9.如权利要求2所述的分析系统，其特征是所述多区域网络模型平台是搭载美国国家标准和技术研究所下属的建筑和火灾研究实验室开发的CONTAM软件建立而成。
10.如权利要求2所述的分析系统，其特征是所述围护结构气密性数据库是依据美国采暖，制冷与空调工程师学会标准中的气密性标准进行收集的，其中主要包括建筑围护结构中门、窗、楼板等按照其材质及类型给出的有效渗透面积推荐值数据，对于住宅建筑将不同材质以及不同类型的门窗等建筑围护结构的气密性数据集成在一个以LB3为后缀的文件内，该文件可以由CONTAM软件直接识别调用，按照用户提供的建筑围护结构材质以及类型信息进行选取相应的气密性数据，以此作为多区域网络模型平台中各个区域气流路径的设计输入参数。
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2017
- 2017-07-17 CN CN201710580768.4A patent/CN107544375B/zh not_active Expired - Fee Related
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