CN110488897B

CN110488897B - 一种非封闭性空间环境调控系统及其调控方法

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Publication number: CN110488897B
Application number: CN201910780009.1A
Authority: CN
Inventors: 常建国; 孙旭灿; 潘玉勤; 刘璐; 郑慧研; 杜永恒; 凡延光; 付梦菲
Original assignee: Henan Provincial Academy Of Building Research Co ltd
Current assignee: Henan Provincial Academy Of Building Research Co ltd
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: CN110488897A

Abstract

本发明属于建筑空间环境调控技术领域，尤其涉及一种非封闭性空间环境调控系统。包括室内、外温湿度传感器，室内二氧化碳传感器、室外雨传感器、室内、外风压传感器和室内、外照度传感器、室外颗粒物含量传感器，所述系统还包括主控制器、设置于所述采光口处的遮光机构、设置于所述通风口处的窗扇以及控制窗扇启、闭的联动机构，上述传感器的输出端分别与主控制器的输入端连接，主控制器的输出端分别与联动机构和遮光机构的输入端连接。本发明可以针对典型气候区不同建筑类型、使用习惯、热舒适性特点对相应空间内的采光、通风以及温、湿度进行调控。

Description

一种非封闭性空间环境调控系统及其调控方法

技术领域

本发明属于建筑空间环境调控技术领域，尤其涉及一种非封闭性空间环境调控系统。

背景技术

窗系统是建筑实现采光、遮阳、通风等功能的主要围护结构部品，随着我国建筑节能标准不断提高，对窗系统的节能性能提出了更高要求。目前市场窗系统产品品类繁多，但大量窗系统产品开启方式、采光遮阳主要采用手动控制模式，如室内闷热、室内新风不足空气污浊建筑居住用户通过窗系统执手手动调节室内开度或调节窗系统遮阳装置；还有部分中高端窗系统可通过电动控制方式如控制面板、遥控器、手机APP遥控控制等来调节窗系统开度，装置角度或升降遮阳设施达到通风、遮阳、采光控制目的。甚至还有部分窗系统通过安装照度传感器、雨传感器，利用控制系统使窗系统在下雨时实现自动关窗，室内照度较弱时调节遮阳设施等方式实现初步智能控制功能。但目前的智能窗仅能实现一定的功能，而不知道该功能的控制范围，例如现在很多智能窗能控制窗户的开启，但窗扇开启的时间及开启的程度没有一定的标准，造成室内舒适性很差的结果。智能窗的设计初衷是为了方便人类，而如果损失舒适性就得不偿失，所以智能窗的设计仍需关注人本身的热舒适性。

当前我国居住建筑、公共建筑节能标准已进入节能65％的第三节能阶段，部分城市与省份居住建筑已开始推行节能75％标准，随着节能标准的不断提升，特别是被动式超低能耗建筑的推广应用，窗系统节能提升对建筑整体节能提升至关重要，在我国严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区合理通过昼夜自然通风、过渡季节自然通风、遮阳、采光可以大大降低空调能耗和采光能耗，提升室内舒适环境，实现良好的节能效果；但由于这些节能措施需要极强的节能专业知识，且不同气候区、不同建筑类型、功能特征、使用特点、人员作息、用户习惯等差异巨大，所以各个不同的气候区应该有适合各自特点的控制逻辑。根据大量统计数据表明，我国大量玻璃幕墙有室内人员无法专业实现精准调节导致建筑能耗居高不下，舒适度差等通病。同一建筑物，不同建筑部位的微气候也不同，即窗外风压、热压、日光强度等条件各异，使得智能窗的设计不能单一的程序设置，一定需要一种自适应性程序，能够在一段时间后达到满足用户及窗的个性需求。急需可根据不同气候区、不同建筑类型、功能特征、使用特点、用户习惯的自适应智能窗系统控制方法。综上所述，目前还没有一种针对典型气候区不同建筑类型、使用习惯、热舒适性特点，使用方便、价格合理、功能齐全、高度智能的自适应智能窗控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供非封闭性空间环境调控系统及其调控方法，本发明可以针对典型气候区不同建筑类型、使用习惯、热舒适性特点对相应空间内的采光、通风以及温、湿度进行调控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种非封闭性空间环境调控系统，包括室内、外温湿度传感器，室内二氧化碳传感器、室外雨传感器、室内、外风压传感器和室内、外照度传感器、室外颗粒物含量传感器，所述室内、外风压传感器分别设于非封闭空间的通风口的室内、室外处，所述室内、外照度传感器设于非封闭空间的采光口的室内、外墙壁处，所述室外颗粒物含量传感器和室外雨传感器设于室外墙壁上，所述室内二氧化碳传感器设置于室内墙壁上；所述系统还包括主控制器、设置于所述采光口处的遮光机构、设置于所述通风口处的窗扇以及控制窗扇启、闭的联动机构，上述传感器的输出端分别与主控制器的输入端连接，主控制器的输出端分别与联动机构和遮光机构的输入端连接。

优选的，所述系统还包括空气净化机构、室内温湿度调节机构、室内照明机构或/和有害性气体传感器，所述空气净化机构、室内温湿度调节机构或/和室内照明机构的输入端分别与所述主控制器的输出端连接，有害性气体传感器的输出端与主控制器的输入端连接。

优选的，所述非封闭性空间为设有窗口的空间，所述采光口和通风口为相应窗口。

优选的，所述主控制器为预载有计算程序的单片机或芯片，且主控制器上设有控制面板，控制面板的输出端与主控制器的输入端连接。

优选的，所述主控制器还搭载有无线通信模块，主控制器通过无线通信模块与外界的客户端实现无线数据连接。

优选的，所述系统还包括云端服务器，云端服务器的输出、输入端与主控制器的输入、输出端通过无线通信模块实现无线数据连接。

优选的，所述的遮光机构为采用电机驱动的百叶机构，所述联动机构为链式开窗器。

一种使用上述系统对非封闭性空间环境的调控方法，步骤如下：

1)初始状态下，在主控制器预载的程序中设定数项参数值，所述参数值至少包括所述空间采光口的朝向、通风口的朝向、空间所处的气候区域、空间的建筑类型；

2)启动相应传感器，主控制器实时接收室内、外温湿度传感器测得的室内、外温湿度数据，室内二氧化碳传感器测得的室内二氧化碳含量数据，室外雨传感器测得的降雨量数据，室内、外风压传感器测得通风口空气流动数据，室内、外照度传感器测得的室内、外光照强度数据、室外颗粒物含量传感器测得的空气颗粒物含量数据，云端服务器传递的当前时间前一周内的室内温、湿度数据，有害性气体传感器测得的有害性气体含量数据，控制面板向主控制器输入的控制数据，主控制器将相应数据无线传递至云端服务器，同时主控制器将接收的数据通过预载的程序进行逻辑运算并作出以下动作：

①室内有害性气体浓度超过设定阈值时，控制联动机构开启窗扇强制通风口自然通风；

②根据控制面板输入的数据，控制联动机构和遮光机构分别对通风口和采光口进行相应程度的遮挡；同时控制空气净化机构、室内温湿度调节机构或/和室内照明机构工作与否；

③室内二氧化碳浓度超过设定阈值时，控制联动机构开启窗扇强制通风口自然通风；

④室外降雨量超过设定阈值时，控制联动机构开启窗扇强制关闭窗扇以封闭通风口；

⑤室外空气颗粒物含量超过设定阈值时，控制联动机构强制关闭窗扇以封闭通风口；

⑥根据云端服务器传递的当前时间一周内的室内温、湿度数据，计算室内预计体感温湿度，与即时室内温、湿度数据比较，当室内温湿度满足Ⅱ级以上热舒适性要求时，保持窗的开度，当不满足时，控制联动机构调整窗扇以调整通风口的开启程度，同时控制空气净化机构、室内温湿度调节机构的工作与否；

上述动作的优先级顺序为：①＞②＞③＞④＞⑤＞⑥。

需要提及的是，上述动作⑥中所述的Ⅱ级以上热舒适性要求，该技术标准取自于公知技术如下：

本领域技术人员通过现场调查和测试，用线性回归法建立了适用于我国不同气候区的人体热舒适适应性型，线性回归方程如下：

严寒地区：t_c＝21.488+0.121t_o(16.3℃≤t_c≤26.2℃)

寒冷地区：t_c＝20.014+0.27t_o(15.8℃≤t_c≤29.1℃)

夏热冬冷地区：t_c＝16.862+0.30t_o(16.5℃≤t_c≤27.8℃)

夏热冬暖地区：t_c＝10.578+0.554t_o(16.2℃≤t_c≤28.3℃)

式中：t_c—为室内热中性温度，℃；

t_o—为室外月平均温度，℃。

GB/T50875-2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中对非人工冷热源热湿环境评价分为计算法和图示法。计算法以预计适应性平均热感觉指标(APMV)作为评价依据，按下式计算：

APMV＝PMV/(1+λ·PMV)

式中：APMV—预计适应性平均热感觉指标；

λ—自适应系数，按表1取值；

PMV—预计平均热感觉指标，可提供BASIC引言编程计算得到。

表1自适应系数

APMV的评价等级的判定如下表2所示：

表2非人工冷热源热湿环境评价等级

其中PPD为预计不满意者的百分数，尽量将环境控制在Ⅰ级和Ⅱ级。采用图示法评价时，非人工冷热源热湿环境应符合表3和表4的规定。室外平滑周平均温度应按下式计算：

t_rm＝(1-α)(t_od-1+αt_od-2+α²t_od-3+α³t_od-4+α⁴t_od-5+α⁵t_od-6+α⁶t_0d-7)式中：t_rm—室外平滑周平均温度(℃)；

α—系数，取值范围为0～1，推荐取0.8℃；

t_od-n—评价日前7d室外日平均温度(℃)。

表3严寒及寒冷地区非人工冷热源热湿环境平均等级

表4夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区非人工冷热源热湿环境评价等级

其中t_op为体感温度，可利用上述公式可绘制图表如附图1和附图2所示。

因此，本申请所述的主控制器，需要预先根据预载的计算程序以及事先输入的相应数据进行计算，即可得出对应空间的Ⅱ级以上热舒适性要求的相应数值，并通过对联动机构、遮光机构的动作控制，实现通风口和采光口的开启程度；同时也对空气净化机构、室内温湿度调节机构、室内照明机构进行工作控制。

本申请中所述主控制器与云端服务器的无线数据传输主要包括如下：

主控制器接收的即时室内温、湿度数据、采风口和通光口附近微气候(如室内、外风压等)资料传递至云端服务器储存；

主控制器接收的控制面板输入的控制数据，如调控的温度目标值、湿度值、室内照明、通风口通风程度、采光口开启程度等，这代表用户行为习惯资料，通过联动在不同季节不同时间段的通风口、采光口的开闭动作概率，预测用户对开启期望动作的程序，并自适应用户的智能开启需求。

自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辨识。随着生产过程的不断进行，通过在线辨识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进，在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辨识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辨识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。

云端服务器传递至主控制器的所述空间所在区域的即时天气预报信息、历史气候信息、即时时间信息等。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：通过与室内热舒适性相关自适应智能窗的控制系统及方法，可以最大限度实现通过自然通风实现室内热舒适性，从而最大限度地实现建筑节能。另外，本发明克服了其它智能窗因控制目标不明确，仅能实现窗户开关，而忽视人的热舒适性等的问题，做到更好让智能窗以人为本，更好的服务人类。本发明的个性化优先级设置，可以为用户提供更人性化的设置，满足个性化需求，最终为用户提供更安全、智能、人性化、热舒适性更高的智能窗。本发明还可收集历史动作、气象资料，通过将现有环境条件过去对应时间的环境对比，整合过去用户对窗的个性化习惯，对与原设计程序不一致的程序优先选用用户的动作习惯，达到自适应控制的目的，以期最大程度满足用户习惯的智能控制窗。。

附图说明

图1为现有技术中采用图示法评价用严寒及寒冷地区非人工冷热源热湿环境体感温度范围图；

图2为现有技术中采用图示法评价用夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区非人工冷热源热湿环境体感温度范围；

图3为具体实施方式中多个空间并联的空间环境调控系统的调控原理框图；

图4为具体实施方式中空间内不同控制模块和传感器控制示意图调控原理框图；

图5为具体实施方式中空间环境调控系统的远程控制原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3、4所示，所述非封闭型空间的每个朝向的通风口和采光口安装有迈冲Y7安卓显示屏控制该智能窗系统，实现“一机多控”，且在每个朝向设置至少一个控制屏，通过控制屏可实现智能窗系统开启、关闭，遮阳百叶升落、角度调节，关键参数设置。该控制系统需要设置友好的用户控制界面，根据窗系统朝向、典型气候区、用户个性特征(热舒适性的敏感程度、个性需求等)通过设置功能实现关键控制参数的个性化设置，当出现硬件故障时该装置还有故障报警功能。

具体的，所述非封闭性空间环境调控系统包括室内、外温、湿度传感器欧米茄RTD-805、室内二氧化碳传感器空气电台WS20、雨传感器贝克斯XWM-121、室内、外风压传感器德控WH201、室内、外照度传感器保乐智能BL-PS、室外PM2.5监控系统等检测装置，迈冲Y7安卓显示屏控制模块等控制装置，链式开窗器、遮阳电机驱动的外置式百叶遮阳设施，实现智能窗系统需满足遮阳、采光与通风智能控制功能。

如图5所示，为防止、遮阳采光与通风功能出现冲突，实现语音、手机APP等功能，设置HVB为中央协调控制模块，HIV可实现手机APP、语音等功能。

遮阳、采光控制模块通过控制系统时钟(或物联网时间)分别出智能窗系统应用区域的季节、昼夜等参数；通过与其连接的室外侧照度传感器(AI)实时反馈窗系统室外照度大小，从而使遮阳、采光控制模块实现以下功能：

采光、遮阳、通风智能窗系统根据其具体安装朝向启动以下控制功能：根据系统时钟识别出采光、遮阳、通风智能窗系统应用项目所在地的运行模式(以夏热冬冷为例，初步分为夏季运行模式(6月1日～10月1日)、冬季运行模式(11月15日～3月15日)该季节划分时间用户可自行调整以到达更好的遮阳采光效果)。

在夏季运行模式，为防止白天室外强烈太阳辐射、高温空气增加室内得热引起室内温度过高或造成空调能耗增加，当每天系统时钟处于8:00～19:00时间段(具体时间段可根据窗的朝向、现场视察通过系统设置设定)且智能窗室外照度传感器实时监测的照度大于系统设定的遮阳采光系统动作阈值50000lx(该数据通过现场实际调研得出)后，智能窗系统将关闭的百叶调整为45°，通过45°百叶反射降低太阳直射导致的室内得热，通过45°百叶散射满足室内采光要求。当智能窗室外照度传感器实时监测的照度小于系统设定的遮阳采光系统动作阈值20000lx(该数据通过现场实际调研得出)，为保证室内采光效果，智能窗收起外遮阳百叶，增大室内采光系数。当系统时钟处于19:00～8:00时间段(具体时间段可根据应用建筑性质、使用习惯设定)用户可设定智能窗百叶收起或百叶旋转45°。

在冬季运行模式，为增大室内太阳得热提高室内温度，当每天系统时钟处于8:00～17:00时间段(具体时间段可根据窗的朝向、现场视察通过系统设置设定)用户可设定智能窗百叶收起或百叶保持0°。

春秋季节时，白天默认智能窗百叶收起或百叶保持0°，尽量保持室外采光，并最大限度保持自然通风，增加室内舒适性，用户可根据个人需求关闭窗户调整百叶进行遮阳。

当系统时钟处于17:00～8:00时间段(具体时间段可根据应用建筑性质、使用习惯设定)用户可设定智能窗百叶收起或百叶旋转45°。

开关窗控制模块通过室外温度传感器欧米茄RTD-805(AI)、室内温度传感器欧米茄RTD-805(AI)、室内二氧化碳传感器空气电台WS20、及PM2.5(互联网获取)参数分别出适宜开窗通风的时间段，通过室内、外风压传感器德控WH201感知开窗通风时窗扇开度大小是否合理；通过室外雨传感器贝克斯XWM-121判断室外是否下雨，当室外下雨且降雨量超过设定值时，开关窗控制模块控制窗系统保持门窗关闭状态；当室内出现火灾等突发事件时，窗与火灾系统物联，优先关闭窗户；当室内燃气检测超标是强制优先实现开窗功能。通过以上传感器反馈及开关窗控制模块控制实现以下功能：

仍以夏热冬冷地区为例，夏季工况(不是严格意义的自然夏季，可系统设置夏、冬季工况，包括春季、秋季)：开始时，参考夏热冬冷地区热中性温度，尽量通过自然通风使室内温度达到或接近热中性温度，运行一周以上时，利用检测记录的前一周室外温度计算室外平滑周平均温度，当通过夏季室外平滑周平均温度利用0.91t_rm-3.69≤t_op≤0.73t_rm+12.72确定适宜自然通风的体感温度的最高、最低温度阈值，当室外温度处于适宜自然通风的体感温度的最高、最低温度阈值间(热舒适区Ⅱ级区以内)时，优先打开窗户通过自然通风使室内达到热舒适区Ⅱ级区以内。当计算体感温度达不到热舒适区Ⅱ级区以内，智能窗控制器与智能家居控制器通信开启人工冷源进行舒适性调节，当开启人工冷源时，窗户联动关闭，若此时仍未开启人工冷源，可保持窗户打开，保证室内新风。

冬季工况：主要使用二氧化碳传感器监测室内二氧化碳含量，当冬季二氧化碳传感器报警室内二氧化碳浓度超过0.1％(1000ppm)时，当室外温度≥20°时，窗系统开启，且开度保持50％；当室外温度温度小于20°时，窗系统开启，开度保持25％，当室内二氧化碳传感器报低于400ppm时，停止自然通风。

春秋季节时，系统默认开窗，最大限度保持自然通风，增加室内舒适性，用户可根据个人需求调整开启程度。

任何季节当室外下雨且降雨量超过设定值时，开关窗控制模块控制窗系统保持门窗关闭状态。

当室外风压过大时，根据测得风压值得到风级，当风级大于等于5级时，控制模块控制开窗电机转动使窗户关闭。

当室内燃气泄漏时，控制模块控制开窗电机转动使窗户开启。

当出现室内火灾时，可通过触摸屏等关窗控制模块控制开窗电机转动使窗户关闭。

应急状态处理，当出现火灾、燃气泄漏、停电(智能窗系统配有锂电池)等状况时，用户可以通过语音、触摸屏或手机APP能末端个性化控制门窗状态。

以上控制事例均以夏热冬冷地区为例，在其它气候区使用时，设置适合各自的控制模式。例如严寒及寒冷地区，冬季时间长，且室外温度低，一般采用人工热源进行供热营造热舒适环境，设置时当室内二氧化碳超标，需要补充新风时，为保持室内气密性，尽量不采用开窗的方式补充新风，有条件时最好采用专门的新风热交换装置，使新风与室内空气进行热交换后送入室内，或者将新风预热后送入室内，以保持室内良好的热舒适性。对于夏热冬暖地区，夏季时间长，且室外温度较高，一般采用人工冷源进行供冷营造热舒适环境，需设置窗户的遮阳减少室内热负荷，达到建筑节能的目的，而当室内二氧化碳超标需要补充新风时，为保持室内气密性，尽量不采用开窗的方式补充新风，有条件时最好采用专门的新风热交换装置，使新风与室内空气进行热交换后送入室内，或者将新风处理后送入室内。对于温和地区，尽量设置采用室外新风维持室内热舒适性。雨水及应急等其它设置与其它地区相同。

Claims

1.一种非封闭性空间环境调控系统的调控方法，其特征在于，所述系统包括室内、外温湿度传感器，室内二氧化碳传感器、室外雨传感器、室内、外风压传感器和室内、外照度传感器、室外颗粒物含量传感器，空气净化机构、室内温湿度调节机构、室内照明机构或/和有害性气体传感器，所述室内、外风压传感器分别设于非封闭空间的通风口的室内、室外处，所述室内、外照度传感器设于非封闭空间的采光口的室内、外墙壁处，所述室外颗粒物含量传感器和室外雨传感器设于室外墙壁上，所述室内二氧化碳传感器设置于室内墙壁上；所述系统还包括主控制器、设置于所述采光口处的遮光机构、设置于所述通风口处的窗扇以及控制窗扇启、闭的联动机构，上述传感器的输出端分别与主控制器的输入端连接，主控制器的输出端分别与联动机构和遮光机构的输入端连接；

所述空气净化机构、室内温湿度调节机构或/和室内照明机构的输入端分别与所述主控制器的输出端连接，有害性气体传感器的输出端与主控制器的输入端连接，所述的遮光机构为采用电机驱动的百叶机构，所述联动机构为链式开窗器；

所述主控制器为预载有计算程序的单片机或芯片，且主控制器上设有控制面板，控制面板的输出端与主控制器的输入端连接，所述主控制器还搭载有无线通信模块，主控制器通过无线通信模块与外界的客户端实现无线数据连接，所述系统还包括云端服务器，云端服务器的输出、输入端与主控制器的输入、输出端通过无线通信模块实现无线数据连接；所述非封闭性空间为设有窗口的空间，所述采光口和通风口为相应窗口；

所述调控方法的步骤如下：

1）初始状态下，在主控制器预载的程序中设定数项参数值，所述参数值至少包括所述空间采光口的朝向、通风口的朝向、空间所处的气候区域、空间的建筑类型；

2）启动相应传感器，主控制器实时接收室内、外温湿度传感器测得的室内、外温湿度数据，室内二氧化碳传感器测得的室内二氧化碳含量数据，室外雨传感器测得的降雨量数据，室内、外风压传感器测得通风口空气流动数据，室内、外照度传感器测得的室内、外光照强度数据、室外颗粒物含量传感器测得的空气颗粒物含量数据，云端服务器传递的当前时间前一周内的室内温、湿度数据，有害性气体传感器测得的有害性气体含量数据，控制面板向主控制器输入的控制数据，主控制器将相应数据无线传递至云端服务器，同时主控制器将接收的数据通过预载的程序进行逻辑运算并作出以下动作：

上述动作的优先级顺序为：①＞②＞③＞④＞⑤＞⑥；

控制系统具有一定的适应能力，可收集历史动作、气象资料，通过将现有环境条件与过去对应时间的环境对比，整合过去用户对窗的个性化习惯，对与原设计程序不一致的程序优先选用用户的动作习惯，达到自适应控制的目的，以期最大程度满足用户习惯的智能控制窗，控制系统可实现“一机多控”，在每个朝向设置至少一个控制屏，通过控制屏可实现智能窗系统开启、关闭，遮阳百叶升落、角度调节，关键参数设置。