CN109373549A - 基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法 - Google Patents

基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人员定位室内空气质量控制系统，包括光散射型PM2.5传感器、CO2传感器、风速传感器、无线传输模块、终端、微处理器、人机交互面板、机械通风风量控制模块，所述终端上安装有建筑模型数据库以及机械通风风量计算平台。还公开了通风计算方法。本发明基于人员定位采用模型针对不同污染水平的功能区进行计算，从而达到各个功能区最佳的通风能力，避免了盲目开启全区机械通风系统带来不必要的能耗以及更多的污染，具有较好的节能环保效益，在室外污染较大时，给予住宅用户或者公共建筑能源管理人员更智能的通风选择。

Description

基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法
技术领域
本发明涉及室内空气品质评价与动态反馈控制领域，特别是涉及基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法。
背景技术
由于建筑节能工作的推进，建筑的气密性越来越高；同时由于人民生活水平的提高，室内越来越多的使用建材和家具，室内进行有效通风尤为重要。但是近年来北方冬季的雾霾，室外污染，尤其颗粒物污染严重影响了现代建筑建筑内的空气质量。为了控制室内污染物浓度水平，可以采取源头治理以及通风净化手段来改善，目前主要的通风方式包括自然通风、机械通风以及风渗透，对于北方寒冷的冬季来说，机械通风的适用性更为明显。然而对于机械通风的使用来说，其受到室外颗粒物污染强度以及提供的最大通风量能力的制约。在住宅以及公共建筑等领域，如何合理的去除室外颗粒物，保证室内CO2浓度处于舒适水平，利用机械通风方式提供有效的通风使得人员所在功能区的空气质量达标甚至到可接受的水平，避免全区通风导致通风能力不足以及能源浪费，显得尤为重要。
因此，通过对室内人员在室分布情况以及所在功能区的空气品质进行实时的检测，对颗粒物去除能力进行及时的分析计算，为用户以最节能的方式选择最合理的机械通风风量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，本发明提出了一种基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法。
本发明为解决现有技术中的技术问题，提出的技术方案如下：基于人员定位室内空气质量控制系统，包括安装于室外的PM2.5传感器和无线传输模块，位于建筑内部各功能空间的PM2.5传感器、CO2传感器和无线传输模块，以及人体穿戴式具有GPS定位功能的标签，安装在机械通风系统管道内的风速传感器和管道送风出口处的PM2.5传感器，终端、微处理器、人机交互面板以及机械通风风量控制模块；
所述终端内设置有建筑模型数据库和通风风量计算平台：
所述建筑模型数据库存储着建筑平面布局、朝向以及各功能区大小及外窗相应的尺寸信息；
所述通风风量计算平台存储着机械通风系统对各种污染物去除能力计算模型；
所述安装于室外的PM2.5传感器通过室外的无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述人体穿戴式具有GPS定位功能的标签，优选地采取手环形式佩戴于室内人员，通过GPS定位确定室内人员所处的功能房间，以此确定本系统优化控制的区域，使系统处理的空气区域更加精准，通过建筑内部各空间的PM2.5传感器、CO2传感器经过无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述安装于机械通风系统管道内的风速传感器和管道送风出口处的PM2.5传感器通过室内的无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述通风风量计算平台通过调用室、内外的无线传输模块收集的数据，对污染物净化能力进行分析计算，通过设定室内允许的污染物浓度限值，将计算得出的去除人员所在功能区的污染物需要的风量数据传给微处理器；
所述微处理器将去除污染物需要的风量按照用户的设定进行选择最佳的通风方式，并通过人机交互面板发出指令控制机械通风风量控制模块；
所述机械通风风量控制模块执行风机转速设置，控制机械通风系统的风机转速。
所述无线传输模块采用ASK无线发射模块，采用4G网络实现数据通信。
所述建筑模型数据库，采用酷家乐公司已有或者自定义的模型。
所述通风风量计算平台，采用华北工控旗下的工控机平台。
所述微处理器采用FREESCAL旗下的MCIMX6U5DVM10AC微处理器。
所述PM2.5传感器采用霍尼韦尔生产的型号为HPMA115CO-001的PM2.5传感器。
所述人体穿戴式具有GPS定位功能的标签中GPS定位模块采用LocalSense生产的定位微标签。
所述CO2传感器采用ELT生产的T-110传感器。
所述风速传感器采用英格玛生产的YGM215风速传感器，
所述人机交互面板采用TORTAI品牌公司生产的TT-13045触摸屏面板，
所述机械通风风量控制模块采用美的生产的STK760-223A-E风量控制模块，住户通过人机交互面板自定义发送操作指令控制机械通风系统风机转速。
本发明的第二个技术方案是基于人员定位室内空气质量控制系统通风计算方法，包括如下步骤：
1)建立通用污染物浓度变化预测模型
其中，V是人员所在功能区域的体积，m3；S是污染物源强，ug/h；k是空气混合特性系数，该值设为1；C是区域内浓度，ug/m3；QS是由室外进入的风量，m3/h；Qe是排风量，m3/h；K是沉积率，/h；P是机械通风系统净化效率，由机械通风系统使用的过滤器等级决定，其随着机械通风系统运行时长的增加而改变，不是一个常数；
2)建立颗粒物浓度变化模型
一般情况下，室内颗粒物源强可看成0，即S＝0；因此在稳态情况下，颗粒物浓度为
其中，Qs＝Qe；K为本系统预设值，设为0.25；
将公式(2)变形为公式(3)，可得对应于不同的PM2.5颗粒物I/O比，公式(3)为折线的函数，对应于不同I/O，机械通风系统净化效率P与机械通风系统换气次数A的关系，系统应该供给的最大风量不应超过折线，否则将不能满足室内设定的颗粒物浓度水平；
其中，I/O为室内外颗粒物浓度比，无因次；定义为机械通风系统的换气次数，/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明同时监测了室内外的空气品质，为住宅用户及公共建筑管理人员实时了解室内外空气状态提供有力的支撑。
2.本发明采用GPS定位功能，通过GPS定位确定室内人员所处的功能房间，以此确定本系统优化控制的区域，使系统处理的空气区域更加精准，合理根据室内人员的分配情况来分配进入各功能区的风量，避免盲目全区机械通风，造成能源浪费，提升通风效果及节能效果。
3.本发明采用PM2.5传感器、CO2传感器等实时采集环境参数，通过无线传输模块反馈到控制器进行实时动态的控制，有效的解决传统控制方法的滞后性问题。
4.本发明采用模型针对活动人员所处功能区的污染物浓度进行计算，从而达到最佳的通风能力，避免了盲目开启机械通风系统带来不必要的能耗以及更多的污染，具有较好的节能环保效益，在室外污染较大时，给予用户更智能的通风选择。
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2是本发明布置示意图；
图3是机械通风下不同颗粒物过滤效率的最大可用换气次数模型。
附图标记：1-室外，2-室内，3-终端，11-PM2.5传感器，12-无线传输模块，21-PM2.5传感器，22-PM2.5传感器，23-CO2传感器，24-GPS定位模块，25-无线传输模块，4-微处理器，5-人机交互面板，6-机械通风风量控制模块，7-风速传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
图1为本发明原理框图，布置示意图如图2所示，本发明为一种基于人员定位室内空气质量控制系统以及通风计算方法，组成部分包含安装在室外的的PM2.5传感器11和无线传输模块12，安装在管道内的风速传感器7、管道送风出口处的PM2.5传感器21以及人体穿戴式GPS定位模块24，建筑内部各功能空间的PM2.5传感器22、CO2传感器23和无线传输模块25，终端3、微处理器4、人机交互面板5、以及机械通风风量控制模块6。所述终端3上包含有建筑模型数据库31和通风风量计算平台32。所述PM2.5传感器11通过无线传输模块12将室外数据传输到通风风量计算平台32；所述PM2.5传感器21、PM2.5传感器22、CO2传感器23通过无线传输模块25将室内污染物数据和管道出口颗粒物浓度数据传输到通风风量计算平台32；所述建筑模型数据库31存储着建筑平面布局、朝向、各个功能区房间体积大小以及机械系统安装形式；所述通风风量计算平台32存储着机械通风方式对于污染物去除能力计算模型，并结合获取的数据进行机械通风下各功能区颗粒物去除能力计算，最后将去除能力计算结果传输给微处理器4；微处理器4将计算出来的风量结果发送到人机交互面板5上，用户通过选择需求的通风量，将指令发送给机械通风风量控制模块6中，此时机械系统风量进行连续调节，控制人员所在不同区域的风量，并使得无人功能区域的送风口处于关闭状态，通过管道内的风速传感器进行监测实时风量，通过反馈给机械通风风量控制模块6，从而达到用户设定的风量值，此时完成执行最佳通风风量的目的。
本实施例中所述无线传输模块选用ASK无线发射模块，该模块采用4G网络实现数据通信；所述建筑模型数据库采用酷家乐公司的数据库；所述通风风量计算平台采用华北工控旗下的工控机平台；所述微处理器采用FREESCAL旗下的MCIMX6U5DVM10AC微处理器；所述PM2.5传感器采用霍尼韦尔生产的型号为HPM1115CO-001的PM2.5传感器；所述GPS定位模块采用LocalSense生产的定位微标签；所述CO2传感器采用ELT生产的T-110传感器；所述风速传感器采用英格玛生产的YGM215风速传感器；所述人机交互面板采用TORTAI品牌公司生产的TT-13045触摸屏面板；所述新风机风量变频控制模块采用美的生产的STK760-223A-E风量控制模块。
本发明通风风量计算平台存储的机械通风污染物去除能力计算模型是根据质量平衡原理对室内污染物浓度变化进行计算，并按照预先设定的污染物浓度标准来确定机械通风应有的风量范围，详细地来说，所述通风风量计算平台计算方法步骤具体如下：
1)建立通用污染物浓度变化预测模型
其中，V是人员所在功能区域的体积，m3；S是污染物源强，ug/h；k是空气混合特性系数，该值设为1；C是区域内浓度，ug/m3；QS是由室外进入的风量，m3/h；Qe是排风量，m3/h；K是沉积率，/h；P是机械通风系统净化效率，由机械通风系统使用的过滤器等级决定，其随着机械通风系统运行时长的增加而改变，不是一个常数。
2)建立颗粒物浓度变化模型
一般情况下，室内颗粒物源强可看成0，即S＝0；因此在稳态情况下，颗粒物浓度为
其中，Qs＝Qe；K为本系统预设值，本示例设为0.25。
将公式(2)变形为公式(3)，可得对应于不同的PM2.5颗粒物I/O比，图3所示折线的函数形式为公式(3)所描述内容，对应于不同I/O，机械通风系统净化效率P与机械通风系统换气次数A的关系。系统应该供给的最大风量不应超过图3所示折线，否则将不能满足室内设定的颗粒物浓度水平；
其中，I/O为室内外颗粒物浓度比，无因次；定义为机械通风系统的换气次数，/h。
下面列举一个具体实施例，对本发明进行说明：
从建筑模型数据库中选取一带有正压机械通风系统的普通两室一厅住宅，作为说明载体，该数据库采用酷家乐公司收集的数据，该数据主要包括建筑平面布局、朝向、各个功能区房间体积大小以及外窗相应的尺寸信息。PM2.5传感器放置在机械通风系统室外入口处，用于实时监测室外的颗粒物浓度信息，人体穿戴式的GPS定位模块用以定位人员活动区域，各个功能区的PM2.5传感器、CO2传感器用以实时监测人员所在区域内的空气品质数据，结合这些数据进行需要的通风风量计算。在该实施例中，本住宅处于寒冷地区冬季，室外的PM2.5浓度为175ug/m3，不具备开窗条件；通过计算平台计算此时机械通风系统应供给的最大通风换气次数，以此试图通过通风改善室内人员所在功能区的室内空气品质。按照住户在人机交互面板上设置的最高室内允许颗粒物浓度对机械通风去除污染物所需风量进行计算，如本实施例中设置PM2.5浓度为35ug/m3为室内最高允许浓度，CO2浓度为1000ppm为室内最高允许浓度。通过GPS定位确定人员所在功能区，如在主卧室，并由传感器测得PM2.5浓度为120ug/m3，CO2浓度为750ppm，此时应开启机械系统，保持人员所在功能区风口开启，无人功能区风口关闭，将机械系统风管上下游颗粒物传感器的浓度数据传到计算中心，算出过滤器效率，本实施例得出的结果为75％；同时将室外颗粒物浓度值传入计算中心，设定的室内颗粒物35ug/m3与其比值为I/O比，本例为0.2。通过效率和I/O比，结合公式(3)可得，计算中心可算出机械通风系统最大可以设定的通风换气次数为1.0/h，此时计算中心结合人员所在功能区域的体积，如45m3，算得最大通风量为45m3/h。人员可按照最大通风量设定所需通风量，将指令发给机械通风风量控制模块，来调整风机转速，通过风速传感器监测实际风管风量，将数据反馈给机械通风风量控制模块，来调节到用户需要值45m3/h。以此可以达到采用机械通风方式，针对室外不同的颗粒物浓度情况，以及用户设定值，来调整风机转速达到去除人员所在功能区污染物的目的。

Claims (10)

1.基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，包括安装于室外的PM2.5传感器和无线传输模块，位于建筑内部各功能空间的PM2.5传感器、CO2传感器和无线传输模块，以及人体穿戴式具有GPS定位功能的标签，安装在机械通风系统管道内的风速传感器和管道送风出口处的PM2.5传感器，终端、微处理器、人机交互面板以及机械通风风量控制模块；
所述终端内设置有建筑模型数据库和通风风量计算平台：
所述建筑模型数据库存储着建筑平面布局、朝向以及各功能区大小及外窗相应的尺寸信息；
所述通风风量计算平台存储着机械通风系统对各种污染物去除能力计算模型；
所述安装于室外的PM2.5传感器通过室外的无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述人体穿戴式具有GPS定位功能的标签，优选地采取手环形式佩戴于室内人员，通过GPS定位确定室内人员所处的功能房间，以此确定本系统优化控制的区域，使系统处理的空气区域更加精准，通过建筑内部各空间的PM2.5传感器、CO2传感器经过无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述安装于机械通风系统管道内的风速传感器和管道送风出口处的PM2.5传感器通过室内的无线传输模块传输相应的数据到通风风量计算平台；
所述通风风量计算平台通过调用室、内外的无线传输模块收集的数据，对污染物净化能力进行分析计算，通过设定室内允许的污染物浓度限值，将计算得出的去除人员所在功能区的污染物需要的风量数据传给微处理器；
所述微处理器将去除污染物需要的风量按照用户的设定进行选择最佳的通风方式，并通过人机交互面板发出指令控制机械通风风量控制模块；
所述机械通风风量控制模块执行风机转速设置，控制机械通风系统的风机转速。
2.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述无线传输模块采用ASK无线发射模块，采用4G网络实现数据通信。
3.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述建筑模型数据库，采用酷家乐公司已有或者自定义的模型。
4.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述通风风量计算平台，采用华北工控旗下的工控机平台。
5.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述微处理器采用FREESCAL旗下的MCIMX6U5DVM10AC微处理器。
6.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述PM2.5传感器采用霍尼韦尔生产的型号为HPMA115CO-001的PM2.5传感器。
7.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述人体穿戴式具有GPS定位功能的标签中GPS定位模块采用LocalSense生产的定位微标签。
8.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述CO2传感器采用ELT生产的T-110传感器。
9.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统，其特征在于，所述风速传感器采用英格玛生产的YGM215风速传感器，所述人机交互面板采用TORTAI品牌公司生产的TT-13045触摸屏面板，所述机械通风风量控制模块采用美的生产的STK760-223A-E风量控制模，住户通过人机交互面板自定义发送操作指令控制机械通风系统风机转速。
10.根据权利要求1所述的基于人员定位室内空气质量控制系统通风计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立通用污染物浓度变化预测模型
其中，V是人员所在功能区域的体积，m3；S是污染物源强，ug/h；k是空气混合特性系数，该值设为1；C是区域内浓度，ug/m3；QS是由室外进入的风量，m3/h；Qe是排风量，m3/h；K是沉积率，/h；P是机械通风系统净化效率，由机械通风系统使用的过滤器等级决定，其随着机械通风系统运行时长的增加而改变，不是一个常数；
2)建立颗粒物浓度变化模型
一般情况下，室内颗粒物源强可看成0，即S＝0；因此在稳态情况下，颗粒物浓度为
其中，Qs＝Qe；K为本系统预设值，设为0.25；
将公式(2)变形为公式(3)，可得对应于不同的PM2.5颗粒物I/O比，公式(3)为折线的函数，对应于不同I/O，机械通风系统净化效率P与机械通风系统换气次数A的关系，系统应该供给的最大风量不应超过折线，否则将不能满足室内设定的颗粒物浓度水平；
其中，I/O为室内外颗粒物浓度比，无因次；定义为机械通风系统的换气次数，/h。
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