CN112432231B - 一种基于有限传感器的智能化通风监控系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于有限传感器的智能化通风监控系统及控制方法，该系统包括送风单元、空调机组和回风单元，所述送风单元设置在建筑一侧墙壁中部，所述送风单元包括条缝型送风口和设置在送风口一侧的送风管道，所述空调机组设置在建筑顶层区域，所述回风单元设置在建筑底部且靠近墙壁区域，所述回风单元包括条缝型回风口和设置于回风口一侧的回风管道，所述空调机组分别连接送风单元与回风单元实现室内空气循环。本发明可根据有限位置的传感器监测数据，实现全局污染物浓度分布快速预测，最终实现通风系统智能化监控，解决传统通风系统无法基于传感器监测数据获取全局环境参数实现准确、快速调控等难题。

Description

一种基于有限传感器的智能化通风监控系统及控制方法
技术领域
本发明涉及通风监控领域，具体的是一种基于有限传感器的智能化通风监控系统及控制方法。
背景技术
通风系统是借助换气稀释或通风排除等手段来控制空气污染物的传播，并保障空气环境质量的一种建筑环境控制技术。通风系统是实现通风功能的一种装置，即利用其对室内空气传播的影响，进一步改变室内污染物(如CO2和PM2.5等)扩散和去除效果。因此，通风系统可以作为清除污染物的有效工具。
国际性城市及城市群的快速发展催生出大量的高大空间建筑，此类建筑具有空间高大、布局多样且功能多元、人员密度高且流动性强、能耗高等特点，其建筑环境参数时空非均匀分布特性极为复杂，对建筑环境智能化监控系统提出了全新挑战，主要包括：高大空间环境多尺度模拟成本高；通过改变风量的通风系统调节性差、效率低，不能满足复杂动态环境需求；空间布局、功能复杂多样，全局监控、调控难度大且能耗高。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于有限传感器的智能化通风监控系统及控制方法，可根据有限位置的传感器监测数据，实现全局污染物浓度分布快速预测，最终实现通风系统智能化监控，解决传统通风系统无法基于传感器监测数据获取全局环境参数实现准确、快速调控等难题，营造更为安全、健康、节能的高大空间建筑环境。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于有限传感器的智能化通风监控系统，包括送风单元、空调机组和回风单元，送风单元设置在建筑一侧墙壁中部，送风单元包括条缝型送风口和设置在送风口一侧的送风管道，空调机组设置在建筑顶层区域，回风单元设置在建筑底部且靠近墙壁区域，回风单元包括条缝型回风口和设置于回风口一侧的回风管道，空调机组分别连接送风单元与回风单元实现室内空气循环。
优选地，送风管道和回风管道呈L型，送风管道和回风管道的管口呈矩形状。
优选地，送风单元设置于建筑一侧墙壁中部区域，送风管道连接于送风单元条缝型送风口，回风管道连接于回风单元条缝型回风口。
优选地，空调机组设置有风机组件，风机组件设置用于控制送风速度的流量控制器。
优选地，智能化通风监控系统还包括监测单元和控制单元，监测单元与控制单元信号连接，监测单元用于获取污染物浓度监测数据，监测单元包括CO2浓度和PM2.5浓度污染物传感器，控制单元包括流量控制器。
一种基于有限传感器的智能化通风监控系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)数据库的构建、扩充和重构：采用数值模拟开源软件获取所有通风案例的数值模拟结果，构建基础数据库，然后运用线性叠加原理实现数据库扩充，利用降维离散化方法实现数据库重构，构建低维线性数据库；
(2)数据库的机器学习和训练：采用降维线性方法获取新数据库后，运用机器学习方法中径向基函数训练污染物浓度与换气次数、监测数据的函数关系；
(3)利用有限监测数据预测全局污染物浓度场：利用污染物浓度与换气次数、监测数据之间的函数关系，以有限监测点数据预测离散化污染物浓度数据，对于监测点位置的选取，应避免传感器与送风主流区域所在平面平行，传感器最好布置在空气混合良好区域或靠近排风口区域；
(4)运用污染物浓度预测数据和评价指标实现智能化通风系统在线控制：将换气次数和污染物浓度两个变量加权成一个评价指标Ev，其表达式如下所示：
Figure BDA0002780752540000031
其中，w1和w2分别为换气次数ACH和呼吸区平均污染物浓度Cmean的权重系数；
在确定评价指标后，将Ev最小值作为最优通风策略评价标准，根据有限位置监测数据，及时确定最优通风策略，将最优通风策略对应的最优换气次数控制指令传输至风机组件的流量控制器，实现智能化通风系统在线控制。
优选地，所述步骤1中数值模拟开源软件为OpenFOAM，所述步骤3中监测点数量为3-5个。
本发明的有益效果：
1、本发明采用的数值模拟软件OpenFOAM代码开源，可自主定义数值求解方法和边界条件，使计算设置更加符合实际通风工况。
2、本发明采用的降维线性方法(即线性叠加和离散化方法)能够有效减少数据库存储容量，节省数据存储成本，降低数据计算时间。
3、本发明采用的传感器数量少、成本低，人工神经网络方法能够快速预测全局污染物浓度结果，进而确定最优通风策略，实现智能化通风系统准确控制。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的整体布局示意图；
图2是本发明的条缝型风口示意图；
图3是本发明的控制步骤流程图；
图4是本发明的数据库训练和预测原理图；
图5是本发明实施例的验证结果示意图。
图中：
1-空调机组；2-风机组件；3-送风管道；4-回风管道；5-条缝型送风口；6-条缝型回风口；7-污染物传感器；8-工作区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例涉及的建筑几何尺寸为10m(长)×10m(宽)×8m(高)，通风方式为侧送侧回模式(送、回风口设置在墙壁的异侧)。采用五种换气次数，分别为4、6、8、10和12，设置污染源坐标分别为A(2.875,2.55,1.7)m，B(7.625,2.55,1.7)m，C(2.875,7.85,1.7)m和D(7.625,7.85,1.7)m。
一种基于有限传感器的智能化通风监控系统，包括送风单元、空调机组1和回风单元，送风单元设置在建筑一侧墙壁中部，送风单元包括条缝型送风口5和设置在送风口一侧的送风管道3，空调机组设置在建筑顶层区域，回风单元设置在建筑底部且靠近墙壁区域，回风单元包括条缝型回风口6和设置于回风口一侧的回风管道4，空调机组1分别连接送风单元与回风单元实现室内空气循环。
送风管道3和回风管道4呈L型，送风管道3和回风管道4的管口呈矩形状。送风单元设置于建筑一侧墙壁中部区域，送风管道3连接于送风单元条缝型送风口5，回风管道4连接于回风单元条缝型回风口6。空调机组设置有风机组件2，风机组件2设置用于控制送风速度的流量控制器。
上述基于有限传感器的智能化通风监控系统还包括监测单元和控制单元，监测单元与控制单元信号连接，监测单元用于获取污染物浓度监测数据，监测单元包括CO2浓度和PM2.5浓度污染物传感器7，控制单元包括流量控制器。
上述基于有限传感器的智能化通风监控系统的控制方法，具体步骤如下所示：
(1)数据库的构建、扩充和重构以及机器学习：基础数据库构建考虑五种换气次数和四个污染源位置，总共包括5×4＝20个通风案例。利用线性叠加原理对基础数据库进行有效扩充，利用降维离散化方法实现数据库的重构，采用径向基函数训练数据库，获取污染物浓度与换气次数、监测数据之间的函数关系；
(2)利用有限监测数据预测全局污染物浓度场：当传感器数量越大时(大于5)，人工神经网络将具备更好的预测性能，但在实际情况中，考虑其成本问题，传感器数量越少越好，如数量减少为3，此时需要确定最优传感器布置策略做出最佳的调整方案，图5为基于3个传感器监测数据的神经网络预测结果和实际模拟结果(污染物浓度)之间的比较情况，根据比较结果可知，通过神经网络对数据库进行训练，可根据有限监测数据快速、有效预测全局污染物浓度场；
(3)运用污染物浓度预测数据、评价指标和流量控制器实现智能化通风系统在线控制：利用通风系统评价指标Ev实现智能化通风系统在线评估，确定换气次数ACH和呼吸区平均污染物浓度Cmean的权重系数为0.45和0.55。通过智能化通风监控系统，呼吸区域平均污染物浓度和通风系统能耗均得到大幅降低，进一步证实了该智能化通风监控系统的有效性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种基于有限传感器的智能化通风监控系统，其特征在于，包括送风单元、空调机组(1)和回风单元，所述送风单元设置在建筑一侧墙壁中部，所述送风单元包括条缝型送风口(5)和设置在送风口一侧的送风管道(3)，所述空调机组(1)设置在建筑顶层区域，所述回风单元设置在建筑底部且靠近墙壁区域，所述回风单元包括条缝型回风口(6)和设置于回风口一侧的回风管道(4)，所述空调机组(1)分别连接送风单元与回风单元实现室内空气循环；
所述智能化通风监控系统的控制方法包括以下步骤：
(1)数据库的构建、扩充和重构：采用数值模拟开源软件获取通风案例的数值模拟结果，构建基础数据库，然后运用线性叠加原理实现数据库扩充，利用降维离散化方法实现数据库重构，构建低维线性数据库；
(2)数据库的机器学习和训练：采用降维线性方法获取新数据库后，运用机器学习方法中径向基函数训练污染物浓度与换气次数、监测数据的函数关系；
(3)利用有限监测数据预测全局污染物浓度场：利用污染物浓度与换气次数、监测数据之间的函数关系，以有限监测点数据预测离散化污染物浓度数据，对于监测点位置的选取，避免传感器与送风主流区域所在平面平行，传感器布置在空气混合良好区域或靠近排风口区域；
(4)运用污染物浓度预测数据和评价指标实现智能化通风系统在线控制：将换气次数和污染物浓度两个变量加权成一个评价指标Ev，其表达式如下所示：
Figure FDA0003120177890000011
其中，w1和w2分别为换气次数ACH和呼吸区平均污染物浓度Cmean的权重系数；
在确定评价指标后，将Ev最小值作为最优通风策略评价标准，根据有限位置监测数据，确定最优通风策略，将最优通风策略对应的最优换气次数控制指令传输至风机组件的流量控制器，实现智能化通风系统在线控制。
2.根据权利要求1所述的基于有限传感器的智能化通风监控系统，其特征在于，所述送风管道(3)和回风管道(4)呈L型，所述送风管道(3)和回风管道(4)的管口呈矩形状。
3.根据权利要求1所述的基于有限传感器的智能化通风监控系统，其特征在于，所述送风单元设置于建筑一侧墙壁中部区域，所述送风管道(3)连接于送风单元条缝型送风口(5)，所述回风管道(4)连接于回风单元条缝型回风口(6)。
4.根据权利要求1所述的基于有限传感器的智能化通风监控系统，其特征在于，所述空调机组(1)设置有风机组件(2)，所述风机组件设置用于控制送风速度的流量控制器。
5.根据权利要求1所述的基于有限传感器的智能化通风监控系统，其特征在于，所述智能化通风监控系统还包括监测单元和控制单元，所述监测单元与控制单元信号连接，所述监测单元用于获取污染物浓度监测数据，所述监测单元包括CO2浓度和PM2.5浓度污染物传感器(7)，所述控制单元包括流量控制器。
6.根据权利要求1所述的基于有限传感器的智能化通风监控系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中数值模拟开源软件为OpenFOAM，所述步骤(3)中监测点数量为3-5个。
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