CN114183896B - 一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统及方法。该协调控制系统基于空气内微粒的质量守恒，根据其受力平衡，推导出各粒子的沉降速度，根据风压效应及热压效应得到渗透及自然通风模型，将几种模型结合起来，最终得到在各种常见控制手段下的多种污染物控制时间模型，在初期建设进行的一次房间围护结构及室内设备参数输入后，当室内某污染物浓度超标时，即可根据室内传感器的返回的数据，结合能量守恒推导的能耗模型，自动计算最优的调控方式，完成空气质量保障系统设备的调控，避免了目前对室内空气质量保障系统设备不调控或乱调控的现象。

Description

一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统及方法

技术领域

本发明涉及室内空气质量控制技术领域，特别涉及一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统及方法。

背景技术

室内空气质量与人的工作、生活息息相关，目前常见室内污染物包括CO₂、VOCs、PM2.5等。为了净化室内污染物，常用室内空气质量的控制手段主要包括机械通风、自然通风和空气净化器等。

然而，现有技术缺少多种污染物的多手段协调控制模型。现有控制手段只针对CO₂一种污染物进行调控，或只考虑单一设备对室内空气质量的调控效果。由于CO₂、VOCs、PM2.5的来源不同，每种控制手段对各种污染物调控效率不同，每种控制手段产生的能耗及影响空调系统而增加的能耗也不同。各种工况条件下只能依靠运维人员经验设置系统运行模式，而不能高效选择最优运行模式。

因此，开发一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统，用于对室内空间的室内空气进行净化以及/或者换气，包括环境数据监测系统、室内空气质量保障系统、存储器、控制器。

所述环境数据监测系统包括测压仪、室内污染物传感器和室外污染物传感器。所述测压仪用于对室内外的压差进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室内污染物传感器用于对室内的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室内污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器。所述室外污染物传感器用于对室外的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室外污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器。

所述室内空气质量保障系统包括空气净化器、新风机、空调器和门窗。

所述存储器中存储有用于选择室内空气质量保障系统最优运转模式的计算机程序。所述计算机程序可根据环境数据监测系统的返回数据，结合室内污染物控制模型自动计算室内空气质量保障系统最优运转模式。某项室内污染物的当前浓度大于阈值时，控制器执行所述计算机程序并按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统。

进一步，所述室内污染物控制模型包括质量守恒方程和能量守恒方程。所述质量守恒方程如式(1)所示。所述能量守恒方程如式(2)所示。

式中，Q_mC_o(1-η_m)为机械新风项。PQ_inC_o为渗透项。Q_nC_o为自然通风项。Q_rη_rC为回风净化项。C∑_kv_d，kA_k为沉降项。(Q_m+Q_in+Q_n)C为排风项。Q_pη_pC为净化项。G为室内污染源产生的浓度超标污染物粒子物质的量，μg。R为再新悬浮过程产生的浓度超标污染物粒子质量，μg。S为气体转换成浓度超标污染物粒子的质量μg。H为吸湿产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。F为化学作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。K为凝结作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。Q_m为新风量，各参数值由测试或国家标准等级得到。η_m为新风过滤器过滤效率，由设备参数得到。P为污染物粒子穿透因子。Q_in为渗透风量，C_o为浓度超标污染物粒子的室外浓度，Q_n为自然通风量，Q_r为回风量，由设备参数得到，η_r为回风过滤器过滤效率，由设备参数得到。C为室内污染物粒子浓度，k为建筑物的朝向。v_d，k为污染物粒子在朝向k的沉降速度，A_k为朝向k的表面积，m²。Q_p为净化风量，由室内净化设备参数得到。η_p为空气净化器过滤效率，由室内净化设备参数得到。

Q＝Q₀+Q₁+Q₂ (2)

式中，Q为室内环境控制所需的总能耗，kW·h。Q₀为室内环境中一段时间内潜热和显热的综合，kW·h。Q₁为一段时间内送入室内环境中新风的潜热和显热负荷的综合，kW·h。Q₂为一段时间内室内环境中净化器开启使用的能耗。

进一步，所述室内空气质量保障系统的运转模式包括净化器-自然通风模式、净化器-关窗模式、新风/净化新风-关窗模式、机械新风-净化器模式。

a.净化器-自然通风模式的控制时间模型如式(3)所示。

b.净化器-关门窗模式的控制时间模型如式(4)所示。

c.新风/净化新风-关门窗模式的控制时间模型如式(5)所示。

d.机械新风-净化器模式的控制时间模型如式(6)所示。

进一步，当室内污染物粒子为CO₂或粒径范围小于1μm的VOCs粒子时，无沉降项C∑_kv_d，kA_k。

本发明还公开一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统的协调控制方法，包括以下步骤：

1)确定室内参数与室内空气质量保障系统设备参数。其中，所述室内参数包括房间各方向围护结构面积和室内外的压差。所述室内空气质量保障系统设备参数包括空气净化器设备参数、新风机设备参数、空调器设备参数、门窗面积、门窗缝隙长度以及门窗开启的有效面积系数。

2)室内污染物传感器监测到室内某污染物浓度超标，启动程序以判断最优控制方法。

3)得到室内空气质量保障系统的各运转模式的控制时间。

4)结合能耗模型评判出最优控制手段。

5)控制器按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：基于空气内微粒的质量守恒，根据其受力平衡，推导出各粒子的沉降速度，根据风压效应及热压效应得到渗透及自然通风模型，将几种模型结合起来，最终得到在各种常见控制手段下的多种污染物控制时间模型，在初期建设进行的一次房间围护结构及室内设备参数输入后，当室内某污染物浓度超标时，即可根据室内传感器的返回的数据，结合能量守恒推导的能耗模型，自动计算最优的调控方式，完成空气质量保障系统设备的调控，避免了目前对室内空气质量保障系统设备不调控或乱调控的现象。

附图说明

图1为室内多种污染物协调控制系统示意图；

图2为室内多种污染物协调控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例针对控制时间与能耗两个性能目标的多污染物协调控制模型解决目前室内空气质量控制指导方法缺失的问题，提供一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统，用于对室内空间的室内空气进行净化以及/或者换气，包括环境数据监测系统、室内空气质量保障系统、存储器、控制器。

所述环境数据监测系统包括测压仪、室内污染物传感器和室外污染物传感器。所述测压仪用于对室内外的压差进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室内污染物传感器用于对室内的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室内污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器。所述室外污染物传感器用于对室外的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器。所述室外污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器。

所述室内空气质量保障系统包括空气净化器、新风机、空调器和门窗。

所述存储器中存储有用于选择室内空气质量保障系统最优运转模式的计算机程序。所述计算机程序可根据环境数据监测系统的返回数据，结合室内污染物控制模型自动计算室内空气质量保障系统最优运转模式。某项室内污染物的当前浓度大于阈值时，控制器执行所述计算机程序并按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统。

所述室内污染物控制模型包括质量守恒方程和能量守恒方程。所述质量守恒方程如式(1)所示。所述能量守恒方程如式(2)所示。

式中，Q_mC_o(1-η_m)为机械新风项。PQ_inC_o为渗透项。Q_nC_o为自然通风项。Q_rη_rC为回风净化项。C∑_kv_d，kA_k为沉降项。(Q_m+Q_in+Q_n)C为排风项。Q_pη_pC为净化项。G为室内污染源产生的浓度超标污染物粒子物质的量，μg。R为再新悬浮过程产生的浓度超标污染物粒子质量，μg。S为气体转换成浓度超标污染物粒子的质量μg。H为吸湿产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。F为化学作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。K为凝结作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg。Q_m为新风量，各参数值由测试或国家标准等级得到。η_m为新风过滤器过滤效率，由设备参数得到。P为污染物粒子穿透因子。Q_in为渗透风量，C_o为浓度超标污染物粒子的室外浓度，Q_n为自然通风量，Q_r为回风量，由设备参数得到，η_r为回风过滤器过滤效率，由设备参数得到。C为室内污染物粒子浓度，k为建筑物的朝向。v_d，k为污染物粒子在朝向k的沉降速度，A_k为朝向k的表面积，m²。Q_p为净化风量，由室内净化设备参数得到。η_p为空气净化器过滤效率，由室内净化设备参数得到。

Q＝Q₀+Q₁+Q₂ (2)

式中，Q为室内环境控制所需的总能耗，kW·h。Q₀为室内环境中一段时间内潜热和显热的综合，kW·h。Q₁为一段时间内送入室内环境中新风的潜热和显热负荷的综合，kW·h。Q₂为一段时间内室内环境中净化器开启使用的能耗。

所述室内空气质量保障系统的运转模式包括净化器-自然通风模式、净化器-关窗模式、新风/净化新风-关窗模式、机械新风-净化器模式。

a.净化器-自然通风模式的控制时间模型如式(3)所示。

b.净化器-关门窗模式的控制时间模型如式(4)所示。

c.新风/净化新风-关门窗模式的控制时间模型如式(5)所示。

d.机械新风-净化器模式的控制时间模型如式(6)所示。

当室内污染物粒子为CO₂或粒径范围小于1μm的VOCs粒子时，无沉降项C∑_kv_d，kA_k。

实施例2：

参见图2，本实施例提供一种关于实施例1所述的基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统的协调控制方法，包括以下步骤：

1)确定室内参数与室内空气质量保障系统设备参数。其中，所述室内参数包括房间各方向围护结构面积和室内外的压差。所述室内空气质量保障系统设备参数包括空气净化器设备参数、新风机设备参数、空调器设备参数、门窗面积、门窗缝隙长度以及门窗开启的有效面积系数。

2)室内污染物传感器监测到室内某污染物浓度超标，启动程序以判断最优控制方法。

3)得到室内空气质量保障系统的各运转模式的控制时间。

4)结合能耗模型评判出最优控制手段，评判标准可根据运维单位自身需求，采用加权评分方式以解决控制时间及能耗两个指标冲突的情况，可参照以下模型：

F＝a₁t+b₁Q

F——当前调控方式的加权评分。

a₁t——控制时间评分，a₁-控制时间指标权重，由运营单位自行确定。t-控制时间。

b₁Q——能耗评分，b₁-能耗指标权重，由运营单位自行确定。Q-调控所需能耗。

5)控制器按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，本实施例由质量守恒推导室内污染物控制时间模型，在原有通风模型的基础上加入了净化项，并细化了自然通风项，新建模型如下：

Q_mC_o(1-η_m)———机械新风项，Q_m-新风量，各参数值可由测试或国家标准等级得到。η_m-新风过滤器过滤效率，可查设备参数得到。

PQ_inC_o————渗透项，P-污染物粒子穿透因子，计算方法见公式7。Q_in-渗透风量，计算方法见公式8，C_o-该污染物粒子的室外浓度，

Q_nC_o——————自然通风项，Q_n-自然通风量，见公式9，

Q_rη_rC——————回风净化项，Q_r-回风量，可查设备参数得到，η_r-回风过滤器过滤效率，可查设备参数得到。

C∑_kv_d，kA_k———沉降项，C-室内污染物粒子浓度，k-建筑物的朝向(分别为上表面，下表面和垂直面)。v_d，k-污染物粒子在朝向k的沉降速度，A_k-朝向k的表面积，m²。

(Q_m+Q_in+Q_n)C—排风项，可由新风机相关参数得到。

Q_pη_pC——————净化项，Q_p-净化风量，可由室内净化设备参数得到，η_p-空气净化器过滤效率，可由室内净化设备参数得到。

其余参数：G-室内污染源产生的该污染物粒子物质的量，μg。R-再新悬浮过程产生的该污染物粒子质量，μg。S-气体转换成该污染物粒子的质量μg。H-吸湿产生的该污染物粒子的质量，μg。F-化学作用产生的该污染物粒子的质量，μg。K-凝结作用产生的该污染物粒子的质量，μg。

能量守恒模型如下：

Q＝Q₀+Q₁+Q₂ (2)

式中，Q-室内环境控制所需的总能耗，kW·h。Q₀-室内环境中一段时间内潜热和显热的综合，但不包含新风送入的室外风的潜热和潜热负荷，kW·h。Q₁-一段时间内送入室内环境中新风的潜热和显热负荷的综合，kW·h。Q₂-一段时间内室内环境中净化器开启使用的能耗。

基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统的协调控制方法，包括以下步骤：

1)按照模型需要，提前收集各种可直接测量的参数。

2)系统察觉到室内某污染物浓度超标，启动本程序以判断最优控制方法。

3)收集室外污染物浓度，代入模型

根据实际运行情况，共采取四类控制手段：净化器-开窗(自然通风)、净化器-关窗、新风/净化新风-关窗、机械新风-净化器，相关控制手段能耗可直接代入数据计算，净化时间算式如下：

4)净化器-自然通风控制时间模型

当室内控制手段为净化器-自然通风时，即净化器-开窗，此时室内污染物控制理论模型中无机械新风项，控制方程模型如下：

5)净化器-关窗控制时间模型

当室内控制手段为净化器-关窗时，模型中无机械新风项、无自然通风项，控制方程模型如下：

6)新风、净化新风模型

当室内控制手段为机械新风时，模型中无净化设备项、无自然通风项，控制方程模型如下：

7)机械新风-净化器模型

当室内控制手段为机械新风-净化器时，控制方程模型如下：

上四式中，当室内污染物粒子为CO2或粒径范围小于1μm的VOCs粒子时，无沉降项C∑_kv_d，kA_k。

L-缝隙长度，m。u_a为空气的气流流速，m/s。H-缝隙高度，m。v_g-沉降速度，m/s。C_C-滑动修正系数，Cummingham。k-玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-16g·cm²/(s²·K)。T为绝对温度，K。μ-空气动力粘滞系数，kPa·s。d_p-污染物粒子粒径，μm。u-室内空气穿过缝隙时的平均流速，见公式8，m/s。

n-缝隙直角数(须小于3)。μ-空气动力粘滞系数，kPa·s，解方程可得到渗透风量。

Q_n＝∑_ih_n，ia_n，iQ_n，i (10)

h_n，i-门窗开启处人员活动强度系数，取1.2。a_n，i-门窗开启有效面积系数。Q_n，i为某单个具体通风口(门或窗)的自然通风量，

代入已知量并解微分方程后可将公式(3)-(6)简化为以下形式：

9)室内污染物浓度实时监测，当发现某项污染物浓度超标时，将数据代入简化模型并启动最优控制手段分析。

9)收集室外污染物浓度，代入简化模型。

10)解方程得到各手段的控制时间，结合相关能耗模型根据评分标准评判出最优控制手段，最终将比选结果输出至控制系统，启动控制干预。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例1，本实施例以“净化器-自然通风模式”为控制手段的污染物浓度控制时间模型为例。

室内CO2初始浓度为1200ppm(2.357g·m^-3)，室外CO2浓度为450ppm/0.884g·m^-3。冬季室内温度为18℃，空气密度ρ_in＝1.213kg/m³；室外温度约为13℃，空气密度ρ_out＝1.234kg/m³。在净化器-自然通风工况中，设定验证工况实验室内主要缝隙为门的缝隙：L×H×W＝0.24m×0.01m×0.95m；开窗尺寸参数为：H×W＝1.10m×0.71m；房间尺寸参数：L×H×W＝6.00m×5.30m×2.80m；相对密度为1；自然通风量计算中空气动力系数c为0.4。各参数具体参数转化为国际通用标准单位下的数值后，求解结果如下：

表1

得到该控制手段下CO2浓度控制公式：

经过同样的计算步骤可得到“净化器-开窗”的控制手段下，污染物控制曲线如下表：

表2

将几种控制手段下的污染物控制时间模型分别求出后，再结合各控制手段能耗模型的预测，即可根据室内污染物超标情况选择最优的调控手段，配合自控系统，实现室内空气品质保障系统的自动化运行，案例房间得到室内污染物控制策略表如下：

表3

Claims (3)

1.一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统，用于对室内空间的室内空气进行净化以及/或者换气，其特征在于：包括环境数据监测系统、室内空气质量保障系统、存储器、控制器；

所述环境数据监测系统包括测压仪、室内污染物传感器和室外污染物传感器；所述测压仪用于对室内外的压差进行监测，并将监测的数据传递至存储器；所述室内污染物传感器用于对室内的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器；所述室内污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器；所述室外污染物传感器用于对室外的污染物浓度进行监测，并将监测的数据传递至存储器；所述室外污染物传感器中包括CO₂浓度传感器、VOCs传感器和PM2.5检测传感器；

所述室内空气质量保障系统包括空气净化器、新风机、空调器和门窗；

所述存储器中存储有用于选择室内空气质量保障系统最优运转模式的计算机程序；所述计算机程序可根据环境数据监测系统的返回数据，结合室内污染物控制模型自动计算室内空气质量保障系统最优运转模式；某项室内污染物的当前浓度大于阈值时，控制器执行所述计算机程序并按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统；

所述室内污染物控制模型包括质量守恒方程和能量守恒方程；所述质量守恒方程如式(1)所示；所述能量守恒方程如式(2)所示；

式中，Q_mC_o(1-η_m)为机械新风项；PQ_inC_o为渗透项；Q_nC_o为自然通风项；Q_rη_rC为回风净化项；C∑_kv_d,kA_k为沉降项；(Q_m+Q_in+Q_n)C为排风项；Q_pη_pC为净化项；G为室内污染源产生的浓度超标污染物粒子物质的量，μg；R为再新悬浮过程产生的浓度超标污染物粒子质量，μg；S为气体转换成浓度超标污染物粒子的质量μg；H为吸湿产生的浓度超标污染物粒子的质量,μg；F为化学作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg；K为凝结作用产生的浓度超标污染物粒子的质量，μg；Q_m为新风量，各参数值由测试或国家标准等级得到；η_m为新风过滤器过滤效率，由设备参数得到；P为污染物粒子穿透因子；Q_in为渗透风量，C_o为浓度超标污染物粒子的室外浓度，Q_n为自然通风量，Q_r为回风量，由设备参数得到，η_r为回风过滤器过滤效率，由设备参数得到；C为室内污染物粒子浓度，k为建筑物的朝向；v_d,k为污染物粒子在朝向k的沉降速度，A_k为朝向k的表面积，m²；Q_p为净化风量，由室内净化设备参数得到；η_p为空气净化器过滤效率，由室内净化设备参数得到；

Q＝Q₀+Q₁+Q₂ (2)

式中，Q为室内环境控制所需的总能耗，kW·h；Q₀为室内环境中一段时间内潜热和显热的综合，kW·h；Q₁为一段时间内送入室内环境中新风的潜热和显热负荷的综合，kW·h；Q₂为一段时间内室内环境中净化器开启使用的能耗；

所述室内空气质量保障系统的运转模式包括净化器-自然通风模式、净化器-关窗模式、新风/净化新风-关窗模式、机械新风-净化器模式；

a.净化器-自然通风模式的控制时间模型如式(3)所示；

b.净化器-关门窗模式的控制时间模型如式(4)所示；

c.新风/净化新风-关门窗模式的控制时间模型如式(5)所示；

d.机械新风-净化器模式的控制时间模型如式(6)所示；

式中，PQ_inC_o为渗透项；Q_nC_o为自然通风项；Q_pη_pC为净化项；Q_mC_o(1-η_m)为机械新风项；C∑_kv_d,kA_k为沉降项。

2.根据权利要求1所述的一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统，其特征在于：当室内污染物粒子为CO₂或粒径范围小于1μm的VOCs粒子时，无沉降项C∑_kv_d,kA_k。

3.根据权利要求1所述的一种基于性能目标的室内多种污染物协调控制系统的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定室内参数与室内空气质量保障系统设备参数；其中，所述室内参数包括房间各方向围护结构面积和室内外的压差；所述室内空气质量保障系统设备参数包括空气净化器设备参数、新风机设备参数、空调器设备参数、门窗面积、门窗缝隙长度以及门窗开启的有效面积系数；

2)室内污染物传感器监测到室内某污染物浓度超标，启动程序以判断最优控制方法；

3)得到室内空气质量保障系统的各运转模式的控制时间；

4)结合能耗模型评判出最优控制手段；评判标准根据运维单位自身需求，采用加权评分方式以解决控制时间及能耗两个指标冲突的情况；

5)控制器按照所设定的运转模式控制室内空气质量保障系统。