CN112628951A

CN112628951A - 一种基于红外感应调整风量的空调系统及方法

Info

Publication number: CN112628951A
Application number: CN202110018019.9A
Authority: CN
Inventors: 程远达; 贾捷; 林成楷; 翟璐开; 夏伟杰
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明属于空调系统技术领域；多数大型场地的空调系统未安装自动感应系统，长期保持大幅度空气供给浪费能源，旧式大型空调系统不能够合理调控工作强度的问题，即使应用有红外传感器的同类系统，也存在着控制精度不理想以及系统稳定性较差等问题，本发明提供一种基于红外感应调整风量的空调系统及方法，通过红外感应装置检测场所内的人流量数据，并根据人员数量和设定的人均所需风量值计算当前条件下所需总风量，通过中央处理器和变频器调节风机和电动机的转速与功率，使得空调系统输出的风量符合场所当前条件下的风量要求，同时达到节能和环控要求。

Description

一种基于红外感应调整风量的空调系统及方法

技术领域

本发明涉及大型场所的空调系统控制技术，更具体的说，涉及一种基于红外感应调整风量的空调系统及方法。

背景技术

由于社会的快速发展，能源危机日益凸显，能源紧张问题成为制约我国经济的快速发展的一大瓶颈。目前城市以及乡村大型通风装置越来越多，其耗费的能源不容忽视，需要大量各种节能监控装置相配套，随着我国科学技术的不断发展和飞跃，精确、高效、智能和稳定的红外感应技术逐渐走入人们的视野。以红外感应技术为基础的节能设施的性能稳定，真正做到了既节能又环保，可以说是声光控产品的较好替代产品，特别适用于商场、写字楼、地铁及候车大厅等大型场所。

我国现在大型场地的空调系统大部分未安装自动感应系统，所以大型空调系统即使在人数很少甚至无人的情况下也保持大幅度的空气供给，浪费了很大的能源，现存的旧式大型空调系统不能够合理调控工作强度的问题，大型空调系统装置能耗高的问题难以通过原理性的改变得到解决。即使应用有红外传感器的同类系统，也存在着控制精度不理想以及系统稳定性较差等问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于红外感应调整风量的空调系统及方法，该发明通过红外感应装置检测场所内的人流量数据，调整风机和电动机的转速，使得空调系统输出的风量符合场所当前条件下的风量要求，同时达到节能和环控要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于红外感应调整风量的空调系统，包括空调和计算人流量数据并进行风量调整的控制模块，还包括若干组用于检测人流量数据的红外感应装置，红外感应装置固定安装于场所的出入口处，每个出入口设置两组红外感应装置，红外感应装置的信号输出端连接控制模块的信号输入端；控制模块包括中央处理器和变频器，控制模块的信号输出端连接通过改变工作频率实现空调系统风量的转换的风机。

进一步，红外感应装置安装高度范围为1.5~2m。

进一步，场所的出入口的两组红外感应装置间隔距离L不小于30cm。

进一步，风机的转速n与工作频率f的关系如下：

n=60f/p

式中，p为风机所匹配的电机旋转磁场的极对数。

一种基于红外感应的空调风量调节方法，基于上述的空调系统，根据场所内的人员数量变化，计算场所内当前人员条件下所需风量，控制模块通过变频器调节空调的风量以满足场所内的风量需求和场所内的舒适度，具体包括以下步骤：

步骤1. 开启红外感应装置，计算进入场所内的人员数量，并实时发送人员数量至控制模块；

步骤2. 控制模块根据所接收的红外感应装置的信号转换而成的人员数量计算场所内当前所需风量，并根据当前所需风量计算风机和电动机的转速与功率是否符合风量要求，若符合则保持现有功率与转速；否则控制模块的中央处理器输出当前所需风量条件下的风机和电动机的转速与功率至变频器，调整空调的风量；

步骤3. 当场所内的人员数量变化时，重复步骤1和步骤2，直至空调系统关机或运行时间结束。

进一步，控制模块预先设置场所的容量和空调系统的运行时间。

进一步，场所的容量包括场所的面积和高度。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明基于红外感应及其信号转换调节风量，利用红外感应装置准确计算场所内的人流量，并根据人流量计算所需风量，本发明实现了红外人数自动计数，使得大型空调装置的出风量按照总体人数以及其流动变化，通过空调系统自动控制功能，确定出合理的通风量，区别于传统红外感应空调系统仅考虑空调系统的使用区域大小，确保空调系统在工作期都能满足应用场所的使用要求。同时，在不调节空调水系统的前提下，由于空调系统风机的变化会使得空调系统出风量送风状态不唯一，且大型场所的人员大多处于行动状态，对所处的室内环境控制精度要求较低，故这空调系统风量调节正好在符合暂时热舒适的要求内，属于使用人群可接受范围内，故本发明能够实现节能的目的，同时符合环控要求。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的红外感应原理图；

图3为单片机最小系统；

图4为计数及显示部分单片机组成图；

图5为红外感应系统组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1~5所示，本发明公开了一种基于红外感应调整风量的空调系统，包括空调和计算人流量数据并进行风量调整的控制模块，控制模块中央处理器和变频器，控制模块的信号输出端连接通过改变工作频率实现空调系统风量的转换的风机，其中，中央处理器属于空调系统的核心处理部件，根据接收的人流量数据计算空调系统的出风量，以及当前人流量数据对应的风机运转频率，中央处理器与变频器连接，并将出风量和风机运转频率传输至变频器，还包括若干组用于检测人流量数据的红外感应装置，红外感应装置包括发射部分和接收部分，红外感应装置固定安装于场所的出入口处，在具体应用场所的的各个出入口分别设置两组红外感应装置，两组红外感应装置间隔距离L不小于30cm，距离L的具体限定可根据具体应用场所的进出口间距进行调整，红外感应装置安装高度范围为1.5~2m，红外感应装置的信号输出端连接控制模块的信号输入端，红外感应装置将人流量数据转化为电信号，电信号传输至控制模块，中央处理器进行计算，得到当前人流量数据条件下所需的实时风量及风机对应工作频率，风机的转速n与工作频率f的关系如下：

n=60f/p

式中，p为风机所匹配的电机旋转磁场的极对数；利用出入口的两组红外感应装置检测是否有人员进出场所，两组红外感应装置检测到人员通过的先后顺序，判断人员运动方向为进入或外出，人员数量通过控制模块计数实现，有人员进入时计数器增加，反之计数器减少，累计计算出场所内现有的人员数量；计数显示部分通过控制模块中的单片机实现；本实施例中，单片机选用AT89C51，配置单片机最小系统电路，用于人员数量检测的控制器，单片机的可擦除只读存储器选用74HC573锁存器，计数采用高低电平同时计数以及各个商场出入口同时计数，在同一个出入口中，进出人员由于先后经过不同的电平，每个并联的计数单元只有一个处于高阻态，保证每个出入口的净人流量计数准确，确保总体净人流量准确，同时进出的两个人不影响人员计数，并排多人同时进入会使得遮挡时间增加，从而感应出对应人数，如图2所示，当有人员经过时，先遮挡光线a，再遮挡光线b，信号A先于信号B接收到有人员通过的信号，两个信号之间的时间差T与人员的移动速度相关，即T=L/V+△t，其中L为两组红外感应装置之间的距离，V为人员运动速度，△t为系统传输和转换为电信号所耗费的时间；在总体净人流量准确的基础上，空调系统进行风量调节。

在空调系统的风量调整前后，人流量处于转换节点，空调系统送风量不一定能严格满足人体热舒适的要求，但由于大型场所，人员活动与静坐办公状态不同，对环控要求有所下降，此时人员暂时舒适状态，故系统风量转换期间也是符合人员热舒适要求的。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms，但是这一脉冲周期所带来对于真实人流计数的误差，对于较大人流量场所空调系统所要求风量的变化而言，是可以忽略不计的。

红外感应装置的红外线热释电传感器的安装位置的选取应满足如下条件：远离风口、冰柜、大型电气设备等空气温度变化敏感或气流较大的位置；不能直对窗口，避免窗外热气流干扰和人员流动引起人员数量计数的误差；红外线热释电传感器与被探测的人体之间不得间隔其他大型物件，在现实场合即为中间不应有阻碍探测的建筑结构或者悬吊装置。

本发明还公开了一种基于红外感应的空调风量调节方法，基于上述的空调系统，红外线感应装置，结合传统的暖通空调智能调控技术，通过计算每个时段的人流量，依据设计规范中要求的人员新风要求和具体建筑设计中的压力要求，调整空调系统的工作状态，提出了大型空调系统的新的控制方式，能够避免大型空调系统在人很少时出现大功率输出的现象，减少资源浪费，控制模块预先设置场所的容量和空调系统的运行时间，场所的容量包括场所的面积和高度，根据场所内的人员数量变化，计算所需风量，控制模块通过变频器调节空调的风量以满足场所内的风量需求和场所内的舒适度，具体包括以下步骤：

步骤2. 控制模块根据所接收的红外感应装置的信号转换而成的人员数量计算场所内当前所需风量，控制模块的中央处理器计算人流数据以及对应的进风量，变频器调整风机的转速n改变，实现风机工作频率f的转换，根据当前所需风量计算风机和电动机的转速与功率是否符合当前所需风量要求，若符合则控制模块将使得风机保持现有功率与转速；否则控制模块的中央处理器输出当前所需风量条件下的风机和电动机的转速与功率至变频器，调整空调的风量；场所内所需风量根据场所内当前人流量数据和每人所需风量值20-30m³/h的乘积确定，场所的区域越大或对场所内的空气质量要求越高，则每人所需的风量值越大，总风量也会越大；空气质量要求高低和每人所需新风量的大小直接关联，可由用户自主设定。

一般的设计规范并没有明确规定大型商场的具体换气次数，大多数大型商场等公共建筑主要使用全新风系统，很少做回风系统，商场的设计新风量一般按每人每小时20立方米计算，所以合理所需总风量应以每个时段的人流量，人均新风量，预计停留时段计算风量和保持商场压力要求和不封要求的风量作比较后确定。

表1 人流信息表

现以一栋15000平米3.7米高的商场为例，运行时间为每天13h，根据国家空调设计规范，进行如下理论计算：

最大人群为：15000x0.6x0.75=6700人；

风机每天合理所需总风量为：20x6700x13=1742000m³；

实际情况下，经过调查发现，一般情况下，商场大多数营业时间内，人数无法达到6700人，如果设定营业13小时不变，按平时人流记录统计结果，利用本发明，总风量计算结果为：

改装后的风机通风量为（6200x3+5500x4+4500x4+3000x2）x20=1292000m³；

风机的风压、风量、功率与转速的相互关系如下：离心风机的转速n可用转速表直接测量，其数值用每分钟多少转(转/分钟)来表示。小型风机的转速一般较高，往往与电动机直接相连。大型风机的转速较低，一般用皮带传动与电动机相连，改变皮带轮的直径即可调节风机的转速，其关系如下：

n1/n2=d2/d1

其中，n1为风机转速，n2为电动机转速，r/min；d1为风机的皮带轮直径，d2为电动机的皮带轮直径，mm；如要改变风机的转速，只要改变离心风机或电动机中任意一个皮带轮的直径即可；当改变风机转速n1时，风机的特性曲线也随之改变，风机在每一转速下都有其相应的特性曲线。转速改变时，风机的风量Q、风压H、功率N的变化可按下式计算：

Q/Q`=n1/n1`； H/H`=(n1/n1`)²； N/N`=(n1/n1`)³

其中，Q、H、N与Q`、H`、N`分别对应改变前后的风机特性参数；可见，如果离心风机的转速由n改变为n`时，风机的风量Q变化与转速比的一次方成正比；风压H变化与转速比的二次方成正比；功率N变化与转速比的三次方成正比。

由以上公式可知，风量变化与功率的三次方成正比，经计算后，可知改装后的风机能够节约的电能56.3%；在人流量达不到风机转速控制时，可采用风阀控制实现风量细调节，综上所述，本发明通过阶段性控制系统风量，可有效降低整个空调系统的送风量，从而达到舒适与节能一体化的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于红外感应调整风量的空调系统，包括空调和计算人流量数据并进行风量调整的控制模块，其特征在于：还包括若干组用于检测人流量数据的红外感应装置，红外感应装置固定安装于场所的出入口处，每个出入口设置两组红外感应装置，红外感应装置的信号输出端连接控制模块的信号输入端；

所述控制模块包括中央处理器和变频器，控制模块的信号输出端连接通过改变工作频率实现空调系统风量的转换的风机。

2.根据权利要求1所述的基于红外感应调整风量的空调系统，其特征在于：所述红外感应装置安装高度范围为1.5~2m。

3.根据权利要求1或2所述的基于红外感应调整风量的空调系统，其特征在于：所述场所的出入口的两组红外感应装置间隔距离L不小于30cm。

4. 根据权利要求1所述的基于红外感应调整风量的空调系统，其特征在于：所述风机的转速n与工作频率f的关系如下：

n=60f/p

式中，p为风机所匹配的电机旋转磁场的极对数。

5.一种基于红外感应的空调风量调节方法，基于权利要求1~4任一权利要求所述的空调系统，其特征在于：根据场所内的人员数量变化，计算场所内当前人员条件下所需风量，控制模块通过变频器调节空调的风量以满足场所内的风量需求和场所内的舒适度，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于红外感应的空调风量调节方法，其特征在于：所述控制模块预先设置场所的容量和空调系统的运行时间。

7.根据权利要求6所述的基于红外感应的空调风量调节方法，其特征在于：所述场所的容量包括场所的面积和高度。