(1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710055；2 西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 西安 710055)

對空調(diào)系統(tǒng)而言，室內(nèi)傳感器測量值直接反映了房間環(huán)境參數(shù)的變化，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)通過末端裝置調(diào)節(jié)每個房間的送風(fēng)量，引起房間溫度場和速度場變化，從而影響室內(nèi)空氣分布均勻性、人員舒適性及空調(diào)系統(tǒng)能耗[1-2]。實際工程中室內(nèi)傳感器大多安裝在門口等便于用戶觀察操作的位置,其測量值不能準(zhǔn)確反映房間的真實情況，依據(jù)其進行的末端系統(tǒng)控制不利于滿足空調(diào)房間人員的舒適性要求，對空調(diào)系統(tǒng)的控制優(yōu)化與節(jié)能有重要影響。

目前，國內(nèi)外關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)傳感器位置優(yōu)化的研究很多。A.D.Fontanini等[3]利用動力學(xué)系統(tǒng)方法跟蹤計算室內(nèi)污染物數(shù)量，對封閉環(huán)境的傳感器進行了優(yōu)化布置，確定室內(nèi)傳感器位置、響應(yīng)時間及傳感器數(shù)量，同時評估了室內(nèi)空氣質(zhì)量。王文修等[4]分析風(fēng)量傳感器布置對風(fēng)量傳感特性的影響,通過優(yōu)化傳感器布置提高末端裝置風(fēng)量傳感特性,為變風(fēng)量空調(diào)末端裝置的改造提供了參考。Liu Yanzheng等[5]利用CFD(計算流體動力學(xué))仿真軟件在機械通風(fēng)條件下模擬溫室內(nèi)溫度分布，以確定最佳傳感器布置方式，結(jié)果表明，最佳傳感器布置在溫室中間，可以降低測量值與參考值的偏差,但此處不利于傳感器的安裝施工。M.Arnesano等[6]開發(fā)了傳感器優(yōu)化單元，以傳感器測量性能為指標(biāo)，優(yōu)化了大空間運動場館最佳溫度傳感器安裝位置。孫占鵬等[7]設(shè)計了一種基于多傳感器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對室內(nèi)空氣各參數(shù)進行實時監(jiān)測。曾令杰等[8]利用遺傳算法優(yōu)化傳感器的布置，優(yōu)化后的方案可使傳感器在風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)輸送的污染物量最小時監(jiān)測到污染物，及時發(fā)出預(yù)警信息。葛宣鳴等[9]利用TRNSYS和FLUENT協(xié)同仿真平臺，對比多傳感器控制策略及傳統(tǒng)單傳感器控制策略下空調(diào)系統(tǒng)能耗及熱舒適性情況，得出基于多傳感器控制策略可以改善人體熱舒適性環(huán)境。Du Zhimin等[10]通過CFD-BES協(xié)同仿真平臺，綜合考慮空調(diào)系統(tǒng)能耗和預(yù)測平均投票數(shù)即PMV(predicted mean vote)優(yōu)化室內(nèi)溫度傳感器布置方案，得出溫度傳感器布置在回風(fēng)口附近不利于變風(fēng)量末端控制器的優(yōu)化控制。

國內(nèi)外多數(shù)研究集中于多傳感器的監(jiān)測、仿真；對單傳感器測點的研究僅找出了不利測點，對單傳感器的最佳測點位置目前還沒有較好的解決方法。實際中，為減少造價，小面積辦公、住宅樓等建筑內(nèi)，一個房間多采用單個傳感器，其最佳安裝位置很關(guān)鍵，需進一步探索研究。

針對以上問題，本文綜合考慮室內(nèi)溫度、風(fēng)速對空調(diào)室內(nèi)人員舒適性及系統(tǒng)節(jié)能性的影響，采用基于修正誤差學(xué)習(xí)的加權(quán)融合算法對室內(nèi)多個測點傳感器測量的數(shù)據(jù)進行融合，分析變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)不同室內(nèi)測點的有效吹風(fēng)溫度、空氣分布特性指標(biāo)(air diffusion performance index,ADPI)及系統(tǒng)能耗情況，研究變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)傳感器最佳檢測點，并確定室內(nèi)傳感器最合適的安裝位置，提高末端裝置控制效果，改善室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。

1 基于修正誤差學(xué)習(xí)的加權(quán)融合算法

基于修正誤差學(xué)習(xí)的加權(quán)融合算法，是對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感加權(quán)融合算法[11]的進一步改進，該方法首先對傳感器多次采樣數(shù)據(jù)求均值，同時確定各傳感器測量值的計算權(quán)值，最后通過均值與權(quán)值相乘獲得融合結(jié)果，增大融合結(jié)果的可靠性，圖1所示為該方法的算法流程。有x個傳感器對房間內(nèi)溫度、風(fēng)速進行測量，得到溫度和風(fēng)速分別為t1，t2,…,tx；v1，v2,…,vx，進而可計算有效吹風(fēng)溫度，再將計算值進行基于信任度的預(yù)處理和修正誤差學(xué)習(xí)權(quán)值匹配，然后加權(quán)融合，最終獲得一個融合值，計`算過程如下。

1)有效吹風(fēng)溫度：

θ=(tx-tr)-7.8(vx-0.15)

(1)

式中：θ為有效吹風(fēng)溫度，℃；tx為室內(nèi)測點x的空氣溫度，℃；tr為室內(nèi)平均溫度，℃；vx為室內(nèi)測點x的空氣風(fēng)速，m/s。

2)權(quán)值匹配

實際測量中個別傳感器出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏離會降低融合精度。應(yīng)先對計算結(jié)果進行相關(guān)性分析和基于信任度的一致性檢驗，剔除異常結(jié)果[12]，此過程稱為一次處理。

(2)

第i個傳感器的測量方差σi12為：

(3)

(4)

(5)

式中：m為各個傳感器的采樣次數(shù)。

引入學(xué)習(xí)因子λ，λ=1/m，則式(5)變?yōu)椋?/p>

(6)

隨著采樣次數(shù)m的增加，傳感器方差趨于穩(wěn)定值，各傳感器權(quán)值為：

(7)

各個傳感器m次歷史數(shù)據(jù)的均值yi為：

(8)

通過式(7)和式(8)獲得各傳感器的權(quán)值和均值分別為w1，w2…wx；y1，y2…yx，再通過式(9)獲得傳感器的融合值θ′：

(9)

2 室內(nèi)溫度傳感器測點優(yōu)化

通常房間內(nèi)氣流分布不均勻，室內(nèi)傳感器安裝位置不同，測量值會有差異，以此為依據(jù)進行房間溫度控制會因測點不同影響房間溫度調(diào)節(jié)效果。因此，室內(nèi)溫度傳感器測點研究時考慮了如下幾點：

1)由于室內(nèi)存在熱源，且送風(fēng)溫度與房間溫度的不同，在垂直方向?qū)a(chǎn)生溫度梯度。按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730[13]，在舒適范圍內(nèi)，工作區(qū)內(nèi)的地面上方0.1 m和1.1 m之間的溫差應(yīng)不大于3 ℃(考慮坐著工作的情況)；標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55—1992[14]建議地面上方0.1 m和1.8 m之間的溫差應(yīng)不大于3 ℃(考慮站立工作的情況)。從可靠性角度，垂直溫度梯度宜采用后者的控制指標(biāo)。

2)測量室內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速時，按照標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASHRAE 55—2013[15]建議，考慮人員坐著工作的情況，在工作區(qū)的地面上方0.1 m(腳踝)、0.6 m(手腕)和1.1 m(頭部)等處的空氣溫度和風(fēng)速；同樣考慮了人站立工作的情況，0.1 m(腳踝)、1.1 m(手腕)和1.7 m(頭部)等處的空氣溫度和風(fēng)速。從可靠性角度，選擇傳感器布置高度為：0.75、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 m。

3)房間送風(fēng)口和回風(fēng)口處的空氣溫度和流速變化較為劇烈，應(yīng)避免在此附近布置傳感器；考慮到圍護結(jié)構(gòu)的輻射作用，傳感器布置應(yīng)與圍護結(jié)構(gòu)保持一定距離。

室內(nèi)多傳感器測點研究平臺由不同長度的可伸縮方形不銹鋼管、底輪、翼型螺絲、鋼絲及三腳架等組成，如圖2所示。G1、C1、K1為可伸縮方形不銹鋼管。G1由兩節(jié)長度為1.20 m的可伸縮管組成，最大可伸縮至2.40 m；C1由4節(jié)長度為0.60 m的可伸縮管組成，最大可伸縮至2.40 m；K1由4節(jié)長度為1.30 m的可伸縮管組成，最大可伸縮至2.60 m?？蚣艿撞?個角各安裝一個底輪，有利于調(diào)整研究平臺在房間內(nèi)的位置。框架的最低水平面為0.10 m。

圖3所示為傳感器平面布置示意圖。將研究平臺整體框架的長×寬×高調(diào)整為1.7 m×1.4 m×2 m，分別選垂直方向高度0.75、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 m進行實驗。以1.9 m高度的平面為例，在長和寬分別距框架兩端為25 cm和20 cm處做標(biāo)記，傳感器長和寬的間隔分別為40 cm和50 cm，在此平面形成網(wǎng)格，傳感器即位于網(wǎng)格十字交叉處，共12個。

圖2 多傳感器測點研究平臺Fig.2 The multi-sensor measurement research platform

1～12為溫度、風(fēng)速測點。圖3 傳感器平面布置示意圖(單位：cm)Fig.3 Schematic plan of sensor layout

對室內(nèi)溫度、風(fēng)速進行采樣時，涉及大量實驗，傳感器的精度會影響最終有效吹風(fēng)溫度的計算，最終選取HT10溫度傳感器和HD103T風(fēng)速傳感器，以滿足實驗要求。傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameter

3 實驗分析

在西安建筑科技大學(xué)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進行實驗研究，該空調(diào)系統(tǒng)由2臺冷水機組、1臺輔助電加熱器、1臺變頻冷凍水泵二次泵、3臺冷凍水泵一次泵、3臺冷卻水泵、1臺冷卻塔、2臺空氣處理機組(AHU)和6個VAVBOX組成，其中風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機、過濾器、表冷器、加濕器，送回風(fēng)管道組成，并配備末端再熱裝置。建筑面積約為135 m2，空調(diào)面積約為36 m2，根據(jù)空調(diào)的實際運行情況，通過保溫彩鋼板搭建模擬6個空調(diào)房間，用于反饋空調(diào)的使用效果，其中空調(diào)機組1連接Room1～Room4，空調(diào)機組2連接Room5～Room6。針對本文有效吹風(fēng)溫度計算需通過房間空調(diào)區(qū)域?qū)崪y各點的空氣溫度和風(fēng)速確定，隨機選取空調(diào)房間Room5為研究對象，進行室內(nèi)溫度傳感器、風(fēng)速傳感器的布置。實驗工況選40%～100%的設(shè)計風(fēng)量，逐步改變房間送風(fēng)量大小，進行室內(nèi)多傳感器測點實驗，室內(nèi)通過增加一臺1 kW的小太陽取暖器來模擬房間的負荷變化。實驗工況如表2所示，房間溫度均為15 ℃，末端風(fēng)量設(shè)定值分別取為最大設(shè)計風(fēng)量的40%～100%。后文描述的送風(fēng)量百分比均指送風(fēng)量設(shè)定值。由表2可知，由于機械部件耗損與傳感器誤差等多種原因，末端風(fēng)量實測值不完全等于設(shè)定值。

3.1 室內(nèi)有效吹風(fēng)溫度分布分析

有效吹風(fēng)溫度θ用于判斷空調(diào)房間內(nèi)任何一點是否有吹風(fēng)感，當(dāng)θ在-1.7～1.1 ℃之間時，大多數(shù)人會感到舒適[15]。通過對選取不同高度上測點處的溫度、風(fēng)速采樣值進行處理，得到Room5在不同工況及不同高度平面的室內(nèi)θ分布。當(dāng)送風(fēng)量為40%的最大設(shè)計風(fēng)量時，無法滿足室內(nèi)負荷要求，房間溫度不斷升高，θ=1.7～3.1 ℃，均不符合要求。當(dāng)送風(fēng)量增至50%的最大設(shè)計風(fēng)量時，房間溫度降低，θ=0.9～2.7 ℃，其中符合要求的θ數(shù)量隨所選擇室內(nèi)平面高度的增大而增加。當(dāng)送風(fēng)量增至60%～80%的最大設(shè)計風(fēng)量時，達到室內(nèi)負荷要求，房間溫度降低明顯，風(fēng)速不斷增大，符合要求的θ數(shù)量持續(xù)增加，其中位于室內(nèi)平面高度1.5 m處的數(shù)量最多。當(dāng)送風(fēng)量達到90%～100%的最大設(shè)計風(fēng)量時，送風(fēng)量大量超出室內(nèi)負荷要求，導(dǎo)致房間溫度急劇降低，風(fēng)速迅速變大，滿足θ要求的數(shù)量快速減少，滿足要求的點多位于房間1.1 m以下。對比分析7種不同工況、不同高度平面室內(nèi)θ，選取平面位于1.5 m處且工況為C、D及E的采樣數(shù)據(jù)進行多傳感器數(shù)據(jù)融合分析。

表2 室內(nèi)有效吹風(fēng)溫度實驗工況Tab.2 Experimental conditions of indoor effective air blast temperature

3.2 室內(nèi)熱舒適性分析

ADPI用于評價整個空調(diào)房間的氣流分布，反映了空調(diào)區(qū)氣流分布帶來的影響[17]。ADPI值越大，說明感到舒適的人群比例越大，ADPI的最大值為100%。其計算如式(10)：

(10)

通過式(10)可以得到不同工況下室內(nèi)空氣分布特性指標(biāo)，如表3所示。

由表3可知，室內(nèi)不同高度的ADPI不同，不同工況下，ADPI隨送風(fēng)量變化而變化。表3中陰影代表ADPI≥80%的情況，即認為空調(diào)房間內(nèi)氣流分布是令人滿意的。當(dāng)送風(fēng)量為40%和100%時，室內(nèi)不同高度處的ADPI最小，即感到舒適的人群比例最小。當(dāng)送風(fēng)量為50%和90%時，只有高度為1.9 m和0.75 m處的ADPI大于80%。當(dāng)送風(fēng)量為60%時，ADPI大于80%集中于高度為1.9 m和1.7 m處。當(dāng)送風(fēng)量為70%～80%時，ADPI大于80%的平面最多，即室內(nèi)氣流分布令人滿意的平面最多。因此，進行多傳感器數(shù)據(jù)融合分析時，對1.5 m平面工況為D和E下進行數(shù)據(jù)采樣研究。

表3 不同平面處不同送風(fēng)量對應(yīng)的ADPI(單位：%)Tab.3 ADPI for different air volumes at different levels

3.3 空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

不同工況下，通過調(diào)節(jié)末端風(fēng)閥改變Room5的送風(fēng)量進行房間溫度調(diào)節(jié)，同時單個房間送風(fēng)量的改變影響系統(tǒng)總送風(fēng)量的變化，引起風(fēng)機頻率的變化進而影響風(fēng)機能耗。風(fēng)系統(tǒng)輸送負荷的變化會引起水系統(tǒng)負荷變化，影響空調(diào)系統(tǒng)總能耗。不同工況下空調(diào)系統(tǒng)能耗如圖4所示，空調(diào)系統(tǒng)總能耗由風(fēng)系統(tǒng)能耗和水系統(tǒng)能耗組成，風(fēng)機能耗會隨送風(fēng)量的增大而增大，即風(fēng)系統(tǒng)能耗增大，同時冷負荷增加，為滿足系統(tǒng)負荷要求，水系統(tǒng)需增加相應(yīng)負荷。

圖4 不同工況下空調(diào)系統(tǒng)能耗Fig.4 Energy consumption of air-conditioning system under different conditions

3.4 多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)果分析

不同工況下，對室內(nèi)不同高度平面的θ、ADPI及空調(diào)系統(tǒng)能耗進行分析，選取1.5 m平面處的工況D進行數(shù)據(jù)采樣和基于修正誤差學(xué)習(xí)的加權(quán)融合計算。通過式(7)對各測點200次采樣時12個傳感器的權(quán)值計算，得到權(quán)值如表4所示。其中權(quán)值w1=0.151，在12個計算權(quán)值中最大，說明溫度傳感器1和風(fēng)速傳感器1的測量值得到的θ在平面位于1.5 m處且工況為D時所占的權(quán)重最大。

表4 不同平面處不同送風(fēng)量對應(yīng)的ADPITab.4 Multi-sensor fusion computing weight

圖5 各測點有效吹風(fēng)溫度Fig.5 The detection-point′s effective draft temperature

在選取的實驗工況下對12個測點進行200次采樣，得到各測點有效吹風(fēng)溫度如圖5所示。進一步采用基于修正誤差學(xué)習(xí)的融合算法得到測點融合值θ′=0.39。由圖5可知，測點1處θ=0.45 ℃，與融合值最接近。因此，綜合考慮測點處的計算權(quán)值和融合結(jié)果，可知在測點1位置進行室內(nèi)傳感器安裝更合理。實際中，房間中心無合適的安裝位置，需找出適宜安裝的位置與其的映射關(guān)系，即可找到最佳的映射安裝位置。

4 結(jié)論

為尋找室內(nèi)溫控器合理的安裝位置，研究了不同工況下，傳感器測點對室內(nèi)有效吹風(fēng)溫度、室內(nèi)熱舒適性及空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，最終選取平面位于高1.5 m且工況為D時的室內(nèi)溫度、風(fēng)速參數(shù)，并采用基于修正誤差學(xué)習(xí)的加權(quán)融合算法進行了有效吹風(fēng)溫度數(shù)據(jù)融合。得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)末端送風(fēng)量為335 m3/h時，空調(diào)系統(tǒng)能耗增幅較小，房間氣流分布令人滿意，融合得到室內(nèi)最佳有效吹風(fēng)溫度值。

2)以室內(nèi)最佳測點的測量值進行房間溫度調(diào)控有利于保持室內(nèi)人員熱舒適性，同時提高了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性。

3)融合得到的最佳測點位于房間中部懸空處，不滿足實際施工要求，需進一步研究融合測點與其他便于施工位置點的映射關(guān)系，找到最佳測點的等效點，實現(xiàn)其工程應(yīng)用價值。