楊璐琳,陳義波,姜 昕,劉夢月,楚耕讀,焦婉瑩

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué)軟件工程學(xué)院，河南 鄭州 450001; 3.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 概述

建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性和節(jié)能必須建立在有效控制的基礎(chǔ)上。室內(nèi)空氣通過對流、輻射等形式不斷與外界換熱，處于復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)變化中。傳統(tǒng)的監(jiān)測集成度低、缺乏合理的聯(lián)動控制[1-2]。目前，傳感器向多參數(shù)集成化、智能化發(fā)展，各種設(shè)備借助總線技術(shù)統(tǒng)一管理，但傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)一般以溫度等單一條件為控制指標(biāo)，對環(huán)境調(diào)控的及時性和反饋性不足，并且不同情景的適用性在目前應(yīng)用中也未能充分體現(xiàn)，極大地制約了智能化控制的實(shí)現(xiàn)[3-4]。

隨著人們對建筑室內(nèi)環(huán)境要求的提高，亟需采用新技術(shù)達(dá)到精細(xì)化的監(jiān)控和反饋功能。針對此，本文通過過渡季不同通風(fēng)工況下的測試分析和問卷調(diào)查，明確對室內(nèi)熱環(huán)境采取實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測控制方式的必要性，并給出基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控平臺架構(gòu)，可為未來新的監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)和利用提供重要參考。

2 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗

實(shí)驗針對過渡季節(jié)不同通風(fēng)措施和人員擾動下的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行。

2.1 測試方案

1)測點(diǎn)布置。測試房間尺寸及測點(diǎn)布置如圖1所示。對于溫濕度和風(fēng)速，根據(jù)《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》[5]，當(dāng)公共建筑房間使用面積不小于60 m2且小于100 m2時，設(shè)5個測點(diǎn)，距地面0.7 m～1.8 m范圍內(nèi)取1.4 m，與人靜坐時頭部位置相近；CO2濃度測點(diǎn)布置在房間中央的測點(diǎn)3處；靠近建筑的室外空氣溫濕度及風(fēng)速測點(diǎn)6、測點(diǎn)7布置在窗戶開啟部分的中心位置。

2)測試工況。考慮了室外氣象邊界條件的相似性，測試時間段為2020年10月31日～11月4日、2020年11月7日～11月16日。參數(shù)采集時間間隔為30 min，同時收集當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)[6]。對于開窗數(shù)造成的影響：10月31日全天開2扇窗，開啟率為1/3，11月1日開窗時間為8:00～17:00；11月2日增加開窗數(shù)為6扇；11月3日不開窗。對于內(nèi)擾造成的影響：控制實(shí)驗室在8:00～17:00期間開2扇窗，然后在11月7日三個時段內(nèi)分別安排10名受試者，在11月8日13:30～14:30時間段內(nèi)安排30人。

3)測試儀器。測試所用主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 測試設(shè)備

2.2 舒適性相關(guān)參數(shù)計算

目前評價環(huán)境熱舒適性廣泛采用預(yù)測平均熱感覺投票(PMV)和預(yù)計不滿意百分率(PPD)。對于過渡季以自然通風(fēng)作為室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)手段時，根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[7]，對非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價采用計算法評價時，以預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)(APMV)作為評價依據(jù)。

1)PMV。

(1)

2)PPD。

PPD=100-95×exp(-0.033 53·
PMV4-0.217 9·PMV2)

(2)

3)APMV。

(3)

其中，λ為自適應(yīng)系數(shù)。鄭州屬于寒冷地區(qū)，實(shí)驗室屬于教育建筑，因此λ取-0.29。

根據(jù)上述環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，可將熱濕環(huán)境的舒適性分為三級，如表2所示。

表2 熱濕環(huán)境評價等級

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 開窗數(shù)量對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

1)溫度和濕度。由圖2可知：首先，室內(nèi)溫濕度變化趨勢與室外基本一致、波動幅度更小，呈現(xiàn)一定的滯后性。其次，隨著開窗數(shù)增加，換氣量增大，室內(nèi)溫濕度變化幅度增大，受室外氣候影響增強(qiáng)。與開2扇相比，開6扇時室內(nèi)外含濕量差和溫差更小，溫度在14:00左右達(dá)到峰值。

2)舒適性指標(biāo)。由圖3可知：不開窗與開2扇的APMV絕對值均在0.5以內(nèi)，為Ⅰ級舒適，而開6扇時大段時間為Ⅱ級舒適；不開窗的PPD值均小于10%，整體評價為Ⅰ級，開6扇時PPD值基本超過10%；14:00左右由于室外溫度較高、相對濕度較低，室內(nèi)環(huán)境APMV值升到最高。

3)污染物濃度。由圖4可知，當(dāng)開窗數(shù)增加時換氣次數(shù)增加，外界PM2.5進(jìn)入室內(nèi)的幾率增大，室內(nèi)TVOC更容易被室外空氣稀釋，因此開6扇比開2扇的室內(nèi)PM2.5濃度高、TVOC濃度低。

綜上，開窗數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)、熱舒適性和空氣潔凈度具有顯著影響，對調(diào)控措施的及時性提出一定要求。

3.2 人員數(shù)量對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

3.2.1 溫度和濕度

由圖5可知，當(dāng)13:30有30名受試者時，室內(nèi)外溫度和含濕量差迅速升高；而當(dāng)室內(nèi)處于無人狀態(tài)，室內(nèi)外含濕量差便急劇下降。這是因為人體作為室內(nèi)主要的產(chǎn)熱源和產(chǎn)濕源，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時對室內(nèi)溫濕度有顯著影響，并且人數(shù)對室內(nèi)濕度的影響比溫度更大。

3.2.2 舒適性指標(biāo)

圖6中APMV值基本在-0.5～0之間，屬于偏冷的Ⅰ級舒適。當(dāng)房間內(nèi)有10人時，下午14:00后APMV值接近0，處于相當(dāng)舒適階段；自13:30有30人進(jìn)入室內(nèi)，APMV值迅速升高直至人員離開。在對PPD的分析上，有人時均為Ⅰ級舒適，并且在房間內(nèi)有30人的時間段上函數(shù)曲線有明顯的凹凸性，可見人數(shù)與室內(nèi)熱舒適性關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

3.2.3 污染物濃度

對比圖7中曲線，并未發(fā)現(xiàn)人數(shù)與室內(nèi)TVOC和PM2.5濃度有顯著關(guān)聯(lián)性，但10人時CO2濃度升高2×10-4， 30人時三者均有所上升，并且30人時TVOC濃度8 h均值超過《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]中的標(biāo)準(zhǔn)值0.6 mg/m3，CO2濃度迅速上升，峰值超過標(biāo)準(zhǔn)值1×10-3。說明室內(nèi)人數(shù)達(dá)到一定數(shù)量將對室內(nèi)污染物濃度造成影響，需要能源系統(tǒng)的及時調(diào)控。

4 監(jiān)控平臺架構(gòu)及設(shè)計

4.1 平臺架構(gòu)

由測試分析結(jié)果可知，內(nèi)擾(人員數(shù)量)和通風(fēng)措施(開窗行為和開窗設(shè)置)對室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響很大、且波動較快，因此非常有必要對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并結(jié)合不同通風(fēng)措施的舒適性范圍預(yù)測來預(yù)先動作，從而更好地穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)。針對此，設(shè)計如圖8所示的環(huán)境監(jiān)控平臺架構(gòu)。

該平臺系統(tǒng)主要包括三個過程：數(shù)據(jù)采集、控制模型構(gòu)建以及管理平臺二次開發(fā)。首先，通過傳感器采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，借助PLC將數(shù)據(jù)集合至物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，再傳輸至管理平臺。其次，基于多維監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用關(guān)聯(lián)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，預(yù)測并提取不同狀態(tài)參數(shù)輸入對應(yīng)的運(yùn)行策略，建立預(yù)測反饋控制模型。最后，對管理平臺進(jìn)行二次開發(fā)，嵌入控制模型。完成開發(fā)后，對于應(yīng)用場景下的工況輸入，可輸出對應(yīng)的控制策略，然后通過PLC反饋控制設(shè)備構(gòu)件，或者通過人工控制設(shè)備啟停的形式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

4.2 軟硬件設(shè)備

平臺開發(fā)具體涉及到的軟件及傳感器如表3所示。

表3 軟件及傳感器列表

5 結(jié)語

針對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化控制問題，本文首先通過測試方法對過渡季不同運(yùn)行策略下室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了對比分析，包括室內(nèi)溫度，含濕量，APMV，PPD，TVOC，PM2.5和CO2濃度等。測試結(jié)果表明在不同的外因(開窗)和內(nèi)擾(人員)下室內(nèi)環(huán)境參數(shù)波動較大。針對這一變化特性，提出了包括數(shù)據(jù)采集、控制模型構(gòu)建以及平臺二次開發(fā)等環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺架構(gòu)，來支持合理、有效、快速地環(huán)境調(diào)控需求，為未來熱環(huán)境控制的智能化推進(jìn)提供參考。