CN107726437B - 一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法 - Google Patents

一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法，包括反光板、转动马达、控制模块，控制模块连接有站台摄像头、入口摄像头、空气温度传感器和太阳辐射传感器。本发明可以实现地铁、轻轨、火车等高架式轨道交通站台的供暖，提高候车人员的热舒适性。本发明可以自动通过多块反光板实时将太阳光聚焦辐射至候车人员最密集的区域，以提高能源利用效率。本发明可以根据进站人流量自动提前启动，以提高供暖响应速度。

Description

一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法
技术领域
本发明属于轨道交通供暖技术领域，具体是一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法。
背景技术
开放空间供暖是暖通工程中的棘手问题，由于开放空间与外界环境相连通，对流换热十分强烈，传统的暖气片供暖、风机盘管供暖、地板采暖等供暖方式难以发挥作用，且能耗巨大。
辐射供暖是一种利用红外线辐射进行加热的供暖技术，主要包括电热辐射供暖和燃气辐射供暖。辐射供暖具有以下技术优势：
1、直接加热被辐射到的人员，而非先加热空气再传递给人体，响应更快；
2、照射到人员附近的地面可以起到蓄热作用；
3、在达到同等热舒适性时，辐射采暖的室内空气温度比对流采暖低；
4、空气温升低，向外界热量损失较少。
以上优势特别适用于高大开放式建筑的供暖。
然而，目前辐射采暖技术较多应用于工厂车间、飞机修理库、仓库等，尚未有应用于高架式轨道交通(如地铁、轻轨、火车)站台的技术或案例。
在目前已有的辐射采暖研究里，同济大学机械与能源工程学院林立春等人于2016年发表了一篇论文《大空间建筑燃气红外辐射采暖系统的设计研究》，对一种燃气辐射采暖装置进行了实验测试，并论述了其在大空间工业建筑中应用的可行性。然而，由于高架式轨道交通站台较多位于建筑密度较低的地区，增设燃气管网的成本较高、安全性较差，不适合采用燃气辐射供暖。
哈尔滨工业大学张泓森于2004年发表了硕士学位论文《辐射板采暖热舒适性及能耗分析》，对一种远红外电辐射板采暖的热舒适性及能耗情况等进行了研究。然而，该类电热辐射板朝向固定，加热功率恒定，不适用于轨道交通站台的供暖。
由于高架式轨道交通站台顶部开阔，适用于直接利用太阳光进行供暖。目前已有一些用于将太阳光引入室照明的方法，如申请号CN201410635043.7的“一种太阳光反射式室内采光设备”和申请号CN200980101288.9的“光传输装置”，然而该类方法只解决了室内采光，由于没有聚光和定向辐射措施，无法解决高架式轨道交通站台的供暖问题。
轨道交通站台候车人员分布呈现显著的分时、分区域性，一般只在列车即将进站时候车人员较多，且对于某一时刻一般只有一侧站台有较多人员候车。若能将高架站台屋顶所接收的太阳光通过聚焦实时定向辐射至站台候车人员集中的区域，将有效提高候车人员区域的单位面积辐射量，提高候车人员的热舒适性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法。该系统利用反光板实时将站台屋顶所接收的太阳光聚焦定向辐射至候车人员区域，并通过图像识别等技术，智能调整辐射范围，以最大程度提高候车人员热舒适性及供暖经济性。此外，该系统还具有自动提前启动功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：供暖系统安装在高架式轨道交通站的站台内，供暖系统包括反光板以及转动马达，在相邻的顶面横梁上隔均布固定有多个转动马达，转动马达的驱动杆上固装有反光板。
而且，反光板的单块宽度为1-2m，采用反光率大于94％的高反射率平面镜，反光板重心位于反光板转动轴线上，固定在转动马达的驱动杆上，反光板转动轴线平行于轨道且位于反光板镜面所在平面上。
而且，站台包括站台壁面、进站通道、出站通道以及候车区，站台中部轴向铺设轨道，轨道径向两侧的站台均为候车区，在候车区的两侧分别连接有进站通道以及出站通道，在候车区的径向外侧设置有站台壁面，在两侧的站台壁面上端之间架设有顶面横梁。
而且，所述反光板、转动马达分别通过线路连接到控制模块并由其控制，控制模块还分别连接有站台摄像头、入口摄像头、空气温度传感器以及太阳辐射传感器。
而且，所述站台摄像头安装于站台壁面内侧中部位置，用于实时检测候车区内的人数并将数据传输给控制模块，站台摄像头的安装位置能完整监控站台候车区。
而且，所述入口摄像头安装于进站通道的入口处，用于实时检测进站人流数并将数据传输给控制模块，入口摄像头的安装位置能完整监控入站人流。
而且，所述空气温度传感器采用铂电阻或热电偶型温度传感器，安装于站台壁面高1.7m处。
而且，所述太阳辐射传感器采用光电感应式传感器，能够测量太阳光入射角度和总辐射功率，安装于站台屋顶无遮蔽处。
一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)站台摄像头实时监控站台候车区人员分布，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块自动计算出站台候车区人员密度大于2人/m2的人员密集区位置，并结合空气温度传感器获取的空气温度以及太阳辐射传感器获取的太阳辐射参数；
(3)控制模块判断是否达到启动运行条件：
若已达到，控制模块计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，控制所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行，将入射光线聚焦为反射光线并辐射站台候车区，以保证人体被辐射面辐射量达到或接近舒适性指标；
当候车区人员密度小于0.5人/m2时，控制模块停止实时控制反光板，并通过站台摄像头继续监控站台候车区人员分布，准备下一轮辐射供暖。
一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)入口摄像头实时监控进站通道入口人流，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块自动计算出进站人流量，并结合空气温度传感器获取的空气温度；
(3)控制模块判断是否达到提前启动条件；
若已达到提前启动条件且当前不在辐射供暖过程中，控制模块自动计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，并将控制信号反馈给所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行；
若未达到提前启动条件，则继续获取入口摄像头的监控数据。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明可以实现地铁、轻轨、火车等高架式轨道交通站台的供暖，提高候车人员的热舒适性。
2、本发明可以自动通过多块反光板实时将太阳光聚焦辐射至候车人员最密集的区域，以提高能源利用效率。
3、本发明可以根据进站人流量自动提前启动，以提高供暖响应速度。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图；
图2为基于站台人员分布自动确定反光板使用序号及各自朝向的控制流程图；
图3为基于进入站台通道人流量自动提前启动的控制流程图。
附图1标记：1-反光板，2-转动马达，3-控制模块，4-站台摄像头，5-入口摄像头，6-空气温度传感器，7-太阳辐射传感器，8-站台壁面，9-进站通道，10-候车区，11-入射光线，12-反射光线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
参见图1可见本系统的实施例，一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法的结构示意图。
本实施例应用于一高架式轨道交通站台，站台包括站台壁面8、进站通道9、出站通道以及候车区10，站台中部轴向铺设轨道，轨道径向两侧的站台均为候车区10，在候车区的两侧分别连接有进站通道9以及出站通道，在候车区的径向外侧设置有站台壁面8，在两侧的站台壁面上端之间架设有顶面横梁；
本供暖系统安装在高架式轨道交通站的站台内，供暖系统包括反光板1、转动马达2、控制模块3、站台摄像头4、入口摄像头5以及空气温度传感器6，在相邻的顶面横梁上隔均布固定有多个转动马达2，转动马达的驱动杆上固装有反光板，转动马达的转动能够带动反光板转动从而调节角度；
本实施例的转动马达2采用伺服电机，可使反光板1以轨道方向为轴向进行转动，转动角度为360°。
反光板的单块宽度为1-2m，采用反光率大于94％的高反射率平面镜，反光板重心位于反光板转动轴线上，固定在转动马达的驱动杆上，以此减少转动马达的功耗及磨损，反光板转动轴线平行于轨道且位于反光板镜面所在平面上。
反光板1、转动马达2分别通过线路连接到控制模块3并由其控制，控制模块3可采用Arduino平台、Linux系统工控机或自制硬件平台，控制模块3还分别连接有站台摄像头4、入口摄像头5、空气温度传感器6以及太阳辐射传感器7，
站台摄像头4安装于站台壁面8内侧中部位置，用于实时检测候车区内的人数并将数据传输给控制模块，站台摄像头的安装位置应能保证可以完整监控站台候车区；
入口摄像头5安装于进站通道9的入口处，用于实时检测进站人流数并将数据传输给控制模块3，入口摄像头5的安装位置应能保证可以完整监控入站人流；
站台摄像头4、入口摄像头5均采用广角高清监控摄像头，通过线缆或Wi-Fi无线网络与控制模块3相连接；
空气温度传感器6采用铂电阻或热电偶型温度传感器，安装于站台壁面8高1.7m处；
太阳辐射传感器7采用光电感应式传感器，能够测量太阳光入射角度和总辐射功率，安装于站台屋顶无遮蔽处。
图2、图3所示，联合构成了一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统及其控制方法优化控制方法。
图2所示为基于站台人员分布控制方法，自动确定反光板使用序号及各自朝向的控制流程，包括以下步骤：
(1)站台摄像头实时监控站台候车区人员分布，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块通过OpenCV、OpenBR等开源图像识别算法，自动计算出站台候车区人员密度大于2人/m2的人员密集区位置，并结合空气温度传感器获取的空气温度以及太阳辐射传感器获取的太阳辐射参数；
(3)控制模块判断是否达到启动运行条件：
若已达到，控制模块计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，控制所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行，将入射光线11聚焦为反射光线12并辐射站台候车区，以保证人体被辐射面辐射量达到或接近舒适性指标；
当候车区人员密度小于0.5人/m2时，控制模块停止实时控制反光板，并通过站台摄像头继续监控站台候车区人员分布，准备下一轮辐射供暖。
计算算法基于Fanger热舒适性方程、PMV-PDD评价方法及辐射换热方程。以天津为例，按照天津典型年供暖期室外平均气象参数计算，当室外温度为-9℃时，人体被辐射面所需的最低辐射量为252-280W/m2，因此控制算法应保证人体被辐射面辐射量能满足该舒适辐射量区间或尽量接近舒适辐射量下限。
图3为基于进入站台通道人流量自动提前启动的控制流程，包括以下步骤：
(1)入口摄像头实时监控进站通道入口人流，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块通过OpenCV、OpenBR等开源图像识别算法，自动计算出进站人流量，并结合空气温度传感器获取的空气温度；
(3)控制模块判断是否达到提前启动条件；
若已达到提前启动条件且当前不在辐射供暖过程中，控制模块自动计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，并将控制信号反馈给所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行；
若未达到提前启动条件，则继续获取入口摄像头的监控数据。
以天津为例，按照天津典型年供暖期室外平均气象参数计算，当室外温度低于10℃时，若进站人流量大于5人/10秒时提前启动，并保证聚焦区域位于候车区中心且被辐射面辐射量达到舒适辐射量下限。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：供暖系统安装在高架式轨道交通站的站台内，供暖系统包括反光板以及转动马达，在相邻的顶面横梁上隔均布固定有多个转动马达，转动马达的驱动杆上固装有反光板；
所述反光板、转动马达分别通过线路连接到控制模块并由其控制，控制模块还分别连接有站台摄像头、入口摄像头、空气温度传感器以及太阳辐射传感器；
本系统采用的控制方法：包括以下步骤：
(1)站台摄像头实时监控站台候车区人员分布，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块自动计算出站台候车区人员密度大于2人/m2的人员密集区位置，并结合空气温度传感器获取的空气温度以及太阳辐射传感器获取的太阳辐射参数；
(3)控制模块判断是否达到启动运行条件：
若已达到，控制模块计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，控制所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行，将入射光线聚焦为反射光线并辐射站台候车区，以保证人体被辐射面辐射量达到或接近舒适性指标；
当候车区人员密度小于0.5人/m2时，控制模块停止实时控制反光板，并通过站台摄像头继续监控站台候车区人员分布，准备下一轮辐射供暖。
2.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：反光板的单块宽度为1-2m，采用反光率大于94％的高反射率平面镜，反光板重心位于反光板转动轴线上，固定在转动马达的驱动杆上，反光板转动轴线平行于轨道且位于反光板镜面所在平面上。
3.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：站台包括站台壁面、进站通道、出站通道以及候车区，站台中部轴向铺设轨道，轨道径向两侧的站台均为候车区，在候车区的两侧分别连接有进站通道以及出站通道，在候车区的径向外侧设置有站台壁面，在两侧的站台壁面上端之间架设有顶面横梁。
4.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：所述站台摄像头安装于站台壁面内侧中部位置，用于实时检测候车区内的人数并将数据传输给控制模块，站台摄像头的安装位置能完整监控站台候车区。
5.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：所述入口摄像头安装于进站通道的入口处，用于实时检测进站人流数并将数据传输给控制模块，入口摄像头的安装位置能完整监控入站人流。
6.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：所述空气温度传感器采用铂电阻或热电偶型温度传感器，安装于站台壁面高1.7m处。
7.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：所述太阳辐射传感器采用光电感应式传感器，能够测量太阳光入射角度和总辐射功率，安装于站台屋顶无遮蔽处。
8.根据权利要求1所述高架式轨道交通站台太阳能聚光供暖系统，其特征在于：包括以下步骤：
(1)入口摄像头实时监控进站通道入口人流，将图像数据传输至控制模块；
(2)控制模块自动计算出进站人流量，并结合空气温度传感器获取的空气温度；
(3)控制模块判断是否达到提前启动条件；
若已达到提前启动条件且当前不在辐射供暖过程中，控制模块自动计算出所需反光板的序号及各个反光板的最佳朝向，并将控制信号反馈给所需反光板对应的转动马达，使其以设定方式运行；
若未达到提前启动条件，则继续获取入口摄像头的监控数据。
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