孟月波 普慧杰 范凱興,2 劉光輝 段中興

(1.西安建筑科技大學(xué),西安;2.西安航天神州建筑設(shè)計(jì)院有限公司,西安)

0 引言

建筑能耗約占全球能耗的40%,而空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑總能耗的50%[1]。因此,在保證人員舒適的前提下,提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效,是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。

由于公共建筑內(nèi)人員流動(dòng)性復(fù)雜、空氣熱慣性大,導(dǎo)致傳感器不能及時(shí)感知公共建筑內(nèi)負(fù)荷的變化、系統(tǒng)響應(yīng)滯后、人員熱不舒適。為了使室內(nèi)人員負(fù)荷的變化與空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)相匹配,文獻(xiàn)[2-3]采用離線方式優(yōu)化了溫度傳感器的設(shè)置位置,以最小化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量。但由于這種方法不能實(shí)時(shí)地將人員負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化與傳感器位置相匹配,導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)控性能不佳。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步,研究者采用基于視覺的人員檢測(cè)方法捕獲室內(nèi)的實(shí)時(shí)占用信息,并將人員負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化用于空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]提出將基于視覺的人員檢測(cè)方法與熱舒適相結(jié)合,以優(yōu)化恒溫器的溫度設(shè)定值。Meng等人開發(fā)了一種實(shí)時(shí)估計(jì)方法來檢測(cè)室內(nèi)人員數(shù)量,并根據(jù)室內(nèi)人員負(fù)荷計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的冷卻補(bǔ)償量,提前調(diào)整了空調(diào)的供冷量[8]。Choi等人開發(fā)了基于視覺的占用檢測(cè)方法,并將其用于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定溫度和室外新風(fēng)量的控制中[9]。將室內(nèi)占用信息反映到空調(diào)系統(tǒng)的控制中,可以提高室內(nèi)人員的舒適度、系統(tǒng)的響應(yīng)速度,降低系統(tǒng)的能耗,采用視覺的占用檢測(cè)方法能夠有效地感知室內(nèi)人員信息及人員的空間分布。但由于室內(nèi)不同區(qū)域的人員可能存在不同的在室時(shí)間、活動(dòng)強(qiáng)度,因此,室內(nèi)往往存在不均勻的溫度分布、較高的熱不滿意率。而傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)控制方法通常是將調(diào)控區(qū)域視為具有均勻溫度分布的一個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)于熱不均勻空間,此種單區(qū)域控制模式將會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境過冷或過熱。

在熱舒適和能效方面,采用區(qū)域模型[10-11]的多區(qū)域控制模式優(yōu)于單區(qū)域控制模式。在多區(qū)域控制模式下,室內(nèi)空間被劃分為多個(gè)區(qū)域,可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)分區(qū)的單獨(dú)調(diào)控[12],在提高室內(nèi)人員舒適性的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的效果。Shan等人通過采用離線方式設(shè)定3組區(qū)域溫度設(shè)定值策略確定了每個(gè)區(qū)域的最佳設(shè)定溫度,以達(dá)到均勻的室內(nèi)溫度分布,但該方案并未考慮區(qū)域人員負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化[13]。Zhou等人提出根據(jù)區(qū)域負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)域溫度設(shè)定值的分區(qū)溫度控制方法,以緩解室內(nèi)空間的過冷/過熱現(xiàn)象[12]。Zhou等人提出根據(jù)區(qū)域的負(fù)荷變化調(diào)控區(qū)域變風(fēng)量箱的供風(fēng)量,但該控制方法靠手動(dòng)實(shí)現(xiàn),并不能很好地應(yīng)用到實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的控制中[14]。Wang等人提出根據(jù)區(qū)域的人員數(shù)量及熱舒適性來優(yōu)化區(qū)域的送風(fēng)量,但該策略的室內(nèi)冷負(fù)荷是通過對(duì)所有分區(qū)的負(fù)荷進(jìn)行線性相加來估計(jì)的,而在實(shí)際中,來自多個(gè)通風(fēng)口的氣流將通過非線性傳熱過程相互干擾[15]。以上研究表明,基于分區(qū)的空調(diào)控制策略能將人員負(fù)荷分布與區(qū)域的空調(diào)控制相匹配,但由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有大滯后性,室溫響應(yīng)滯后于空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)動(dòng)作的變化,造成整個(gè)空間調(diào)節(jié)能力有限,調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)。

本文將基于視覺的人員檢測(cè)方法與多區(qū)域控制方式相結(jié)合以解決空調(diào)系統(tǒng)的大滯后問題,提出人員負(fù)荷視覺動(dòng)態(tài)估計(jì)的熱不均勻空間溫度分區(qū)補(bǔ)償控制方法。首先,設(shè)計(jì)室內(nèi)人員計(jì)數(shù)與定位模型,采用相機(jī)標(biāo)定法和幾何校正法完成室內(nèi)人員定位,明確人員的空間分布位置,采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的端到端人員計(jì)數(shù)模型實(shí)時(shí)檢測(cè)各區(qū)域的人員數(shù)量,計(jì)算區(qū)域負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化。其次,設(shè)計(jì)分區(qū)采用主從補(bǔ)償控制策略,從控制模塊以主控制模塊輸出為輸入,在調(diào)節(jié)建筑空間總風(fēng)量的基礎(chǔ)上采用開環(huán)控制調(diào)節(jié)各區(qū)域風(fēng)量,改善室溫響應(yīng)滯后情況;主控制模塊由多個(gè)區(qū)域溫度控制回路構(gòu)成,根據(jù)人員負(fù)荷變化估計(jì)室內(nèi)溫度變化趨勢(shì),通過區(qū)域補(bǔ)償運(yùn)算提高所需供冷量的預(yù)測(cè)能力。最后,對(duì)小型辦公建筑和大型活動(dòng)中心建筑進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),討論了基于區(qū)域負(fù)荷動(dòng)態(tài)估計(jì)的分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略的有效性和可行性。

1 熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控方法

本文研究對(duì)象為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控方法適用于空調(diào)末端,結(jié)構(gòu)如圖1所示。將建筑空間劃分為M個(gè)(圖1中為9個(gè))具有相同尺寸的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域zi(i=1,2,…,M)各布置1個(gè)溫度控制器及溫度傳感器,除總風(fēng)量控制器外,各子區(qū)域均設(shè)置1個(gè)區(qū)域風(fēng)量控制器與風(fēng)閥。

圖1 熱不均勻空間溫度分區(qū)補(bǔ)償調(diào)控系統(tǒng)圖

首先通過攝像頭采集室內(nèi)圖像信息,通過相機(jī)標(biāo)定與幾何校正,明確人員的空間位置分布,利用快速準(zhǔn)確的人頭檢測(cè)模型FCHD[16]檢測(cè)各區(qū)域的人員數(shù)量,計(jì)算區(qū)域人員負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化;然后根據(jù)各區(qū)域的實(shí)時(shí)負(fù)荷變化獲取系統(tǒng)總風(fēng)量及各區(qū)域所需風(fēng)量,并以此調(diào)控系統(tǒng)總風(fēng)閥及各子區(qū)域風(fēng)閥的開度,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域溫度的調(diào)控。

1.1 人員負(fù)荷實(shí)時(shí)估計(jì)方法

人員負(fù)荷的實(shí)時(shí)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)熱不均勻空間溫度分區(qū)調(diào)控的前提,基于計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)的方法可以有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員數(shù)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)從攝像機(jī)捕獲的圖像中獲取室內(nèi)人員的分布,為了明確空間中人員的幾何位置與其在攝像機(jī)圖像中的對(duì)應(yīng)位置之間的相互關(guān)系,采用張正友標(biāo)定法[17]實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像像素坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,以確定空間中人員位置相對(duì)攝像機(jī)圖像的坐標(biāo),并通過幾何校正方法對(duì)圖像進(jìn)行校正,實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,完成室內(nèi)人員定位。FCHD是一種全卷積的端到端人頭檢測(cè)模型,將人頭檢測(cè)方法和人群計(jì)數(shù)方法相結(jié)合,具有較高的精度和較快的運(yùn)行速度,很適合在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。筆者所在課題組建立了基于FCHD人頭檢測(cè)的建筑人員負(fù)荷實(shí)時(shí)估計(jì)模型[18],準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)人員負(fù)荷的實(shí)時(shí)估計(jì),本文的區(qū)域人員負(fù)荷估計(jì)采用該模型來實(shí)現(xiàn)。

1.2 區(qū)域負(fù)荷動(dòng)態(tài)估計(jì)的分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)選用壓力無關(guān)型末端時(shí),通常采用如圖2所示的串級(jí)控制結(jié)構(gòu),溫度控制器根據(jù)空間實(shí)測(cè)溫度與溫度設(shè)定值的偏差,通過PID運(yùn)算得到空間所需總風(fēng)量設(shè)定值Gs,風(fēng)量控制器根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與檢測(cè)值的偏差,通過PID運(yùn)算調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度,使送風(fēng)量與設(shè)定值相等。

圖2 壓力無關(guān)型末端串級(jí)控制原理圖

本文介紹的熱不均勻空間溫度分區(qū)補(bǔ)償控制方法利用標(biāo)定和校正后的室內(nèi)人員圖像信息和FCHD人員檢測(cè)模型獲取建筑空間實(shí)時(shí)人員總數(shù)量Nz、各區(qū)域zi(i=1,2,…,M)的人員數(shù)量Ni(i=1,2,…,M)及室內(nèi)被占用區(qū)域數(shù)量L。分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略分為主控制模塊和從控制模塊兩部分,如圖3所示。

圖3 分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略框圖

從控制模塊包括多個(gè)區(qū)域溫度控制環(huán)節(jié),分別由常規(guī)溫度控制器、風(fēng)量補(bǔ)償器構(gòu)成。若區(qū)域zi被占用,則與變風(fēng)量空調(diào)末端常規(guī)串級(jí)控制一致,區(qū)域溫度控制器采用PID法則計(jì)算區(qū)域zi所需初始風(fēng)量G0i;根據(jù)所需初始風(fēng)量G0i與視覺傳感手段獲得的區(qū)域人員負(fù)荷情況,風(fēng)量補(bǔ)償器利用式(1)預(yù)測(cè)區(qū)域補(bǔ)償風(fēng)量ΔGi,并通過式(2)、(3)確定各區(qū)域風(fēng)量設(shè)定值Gi和建筑空間總風(fēng)量設(shè)定值Gs。主控制模塊包括總風(fēng)量控制器與多個(gè)區(qū)域風(fēng)量控制器,總風(fēng)量控制器的設(shè)置與常規(guī)串級(jí)控制中的風(fēng)量控制器設(shè)置相同,根據(jù)總風(fēng)量實(shí)測(cè)值和設(shè)定值Gs調(diào)節(jié)總風(fēng)閥開度;區(qū)域風(fēng)量控制器用于調(diào)節(jié)區(qū)域zi的風(fēng)閥開度vi,控制策略如式(4)所示。此外,根據(jù)式(5)計(jì)算空間所需室外風(fēng)量GOA。

(1)

Gi=G0i+ΔGi

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中k為群集系數(shù);Ni(t)為t時(shí)刻區(qū)域zi的人員數(shù)量,人;Ni(t-1)為t-1時(shí)刻區(qū)域zi的人員數(shù)量,人;q為人員負(fù)荷指標(biāo),W/人;Qi,max為區(qū)域zi的最大人員占用負(fù)荷,W;Rp為人均所需室外風(fēng)量,m3/(人·h),取8.5 m3/(人·h);Ra為單位面積所需室外風(fēng)量,m3/(m2·h),取1.1 m3/(m2·h);Az為區(qū)域面積,m2;Ez為空氣分配系統(tǒng)的通風(fēng)效率。

可以看出,分區(qū)主從補(bǔ)償控制是根據(jù)區(qū)域的實(shí)時(shí)負(fù)荷變化,采用區(qū)域溫度控制器和區(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償模塊獲取區(qū)域的總風(fēng)量,進(jìn)而調(diào)節(jié)被占用區(qū)域風(fēng)閥的開度,其新風(fēng)量根據(jù)室內(nèi)實(shí)時(shí)占用總?cè)藬?shù)及空間被占用總面積計(jì)算得到。該策略通過室內(nèi)溫度的分區(qū)控制來緩解傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)造成的人員熱不適問題,并通過引入?yún)^(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償模塊改善空調(diào)系統(tǒng)的滯后性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了評(píng)估所提出的分區(qū)主從補(bǔ)償控制的性能,對(duì)分區(qū)主從控制方法和傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行比較。分區(qū)主從控制方法僅采用區(qū)域溫度控制器來獲取區(qū)域的總風(fēng)量,其他設(shè)置與分區(qū)主從補(bǔ)償控制一致;傳統(tǒng)控制方法使用1個(gè)溫度控制器同步控制整個(gè)空間的溫度,采用室內(nèi)平均溫度作為控制器的反饋信號(hào),并對(duì)整個(gè)空間均勻制冷。由于傳統(tǒng)控制方法無法確定室內(nèi)具體的人員占用信息,因此室外空氣的供給量根據(jù)設(shè)計(jì)在室人員總數(shù)及室內(nèi)總面積計(jì)算得到。

采用聯(lián)合仿真方式實(shí)現(xiàn)上述控制策略,聯(lián)合仿真系統(tǒng)如圖4所示。使用CONTAM軟件創(chuàng)建建筑分區(qū)三維模型,采用TRNSYS創(chuàng)建空調(diào)分區(qū)控制系統(tǒng),同時(shí)利用MATLAB實(shí)現(xiàn)區(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償,CONTAM、TRNSYS及MATLAB在每個(gè)模擬時(shí)間步內(nèi)(設(shè)為36 s)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4 聯(lián)合仿真系統(tǒng)圖

為驗(yàn)證所提出的控制策略在不同建筑面積下的性能,分別搭建了西安地區(qū)某小型辦公建筑和某大型活動(dòng)中心建筑為原型的建筑仿真模型,如圖5所示,2棟建筑的參數(shù)如表1所示。

圖5 建筑仿真模型

表1 建筑參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

人員負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化主要體現(xiàn)在2個(gè)維度:室內(nèi)人員所處空間位置的動(dòng)態(tài)變化、區(qū)域人員數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化。因此,為全面分析算法的有效性,分別開展控制策略區(qū)域劃分實(shí)驗(yàn)、人員負(fù)荷空間位置變化實(shí)驗(yàn)及區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn)。

3.1 區(qū)域劃分實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的分區(qū)調(diào)控,需要將室內(nèi)空間劃分為多個(gè)區(qū)域。如果分區(qū)過細(xì),將會(huì)增加計(jì)算量;如果分區(qū)過于粗糙,則無法識(shí)別熱環(huán)境特征。由于大空間建筑中的熱環(huán)境更為復(fù)雜,因此在大型活動(dòng)中心建筑模型中采用了4種不同區(qū)域尺寸的網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 大型活動(dòng)中心建筑室內(nèi)區(qū)域劃分

西安市7月24日室外溫度變化如圖7所示。在自然通風(fēng)及室內(nèi)無人員負(fù)荷時(shí),采用TRNSYS和CONTAM相結(jié)合的方式對(duì)4種區(qū)域劃分模型的溫度進(jìn)行仿真,選取14:30時(shí)的瞬時(shí)溫度值,利用Origin軟件繪制溫度分布圖。如圖8所示,在6 m×6 m區(qū)域尺寸(圖8c)和3 m×3 m區(qū)域尺寸(圖8d)中,可以觀察到區(qū)域之間的溫差,而在15 m×12 m區(qū)域尺寸(圖8a)和10 m×8 m區(qū)域尺寸(圖8b)2種情況下,室內(nèi)溫度基本呈現(xiàn)均勻分布,表明溫度傳感器越多,室內(nèi)溫度感知越明顯,但溫度傳感器的增加會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控資源的浪費(fèi)和室內(nèi)安裝的不便。因此,為了達(dá)到最佳分區(qū)溫度調(diào)控目的,從模型精度和調(diào)控效率兩方面考慮,選擇6 m×6 m區(qū)域尺寸作為本文的研究分析對(duì)象。

圖7 室外溫度變化

圖8 自然通風(fēng)時(shí)4種區(qū)域尺寸劃分的室內(nèi)溫度分布

3.2 人員負(fù)荷空間位置變化實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1人員分布類型

小型辦公建筑區(qū)域尺寸采用4 m×4 m;大型活動(dòng)中心建筑區(qū)域尺寸采用6 m×6 m。在實(shí)際環(huán)境中,人員流動(dòng)隨機(jī),室內(nèi)人員可能呈現(xiàn)任何分布狀態(tài)。為模擬人員分布狀態(tài),本文建立9種人員分布類型,如圖9所示,S0～S8為小型辦公建筑人員分布類型,L0～L8為大型活動(dòng)中心人員分布類型。圖9a中室內(nèi)人員均勻分布;圖9b～g中室內(nèi)人員分別按室內(nèi)對(duì)角線、室內(nèi)西區(qū)、室內(nèi)中心、室內(nèi)東南角、室內(nèi)中西區(qū)或分散位置分布;圖9h、i中的室內(nèi)人員分布位置與圖9g一致,區(qū)別在于圖9h中的人員數(shù)量低于設(shè)計(jì)在室人員總數(shù)量(120人),而圖9i的人員數(shù)量高于設(shè)計(jì)在室人員總數(shù)量(120人)。

圖9 小型辦公建筑和活動(dòng)中心建筑的室內(nèi)人員分布

3.2.2區(qū)域溫度定性分析

選擇西安市7月24日室外氣象條件,設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為08:00—18:00,分別對(duì)大型活動(dòng)中心和小型辦公建筑的9種人員分布類型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

大型活動(dòng)中心L4、L5及L8人員分布類型在14:30時(shí)的室內(nèi)瞬時(shí)溫度分布分別如圖10～12所示。采用傳統(tǒng)控制策略對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)控時(shí),室內(nèi)占用區(qū)的溫度能達(dá)到26.56 ℃,該溫度會(huì)造成室內(nèi)人員嚴(yán)重的不舒適。而分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)占用情況,僅對(duì)室內(nèi)占用區(qū)域進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),使所有占用區(qū)域的溫度都得到充分調(diào)節(jié),未占用區(qū)域的溫度通常高于典型的熱舒適水平,但這并不影響占用區(qū)域人員的舒適。

圖10 大型活動(dòng)中心L4人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

圖11 大型活動(dòng)中心L5人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

圖12 大型活動(dòng)中心L8人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

小型辦公建筑S4、S5及S8人員分布類型在14:30 時(shí)的室內(nèi)瞬時(shí)溫度分布分別如圖13～15所示。當(dāng)在小空間采用傳統(tǒng)控制策略時(shí),室內(nèi)占用區(qū)過冷或過熱現(xiàn)象并不是很明顯,比較而言,采用分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略能為占用區(qū)人員提供更舒適的室內(nèi)環(huán)境。

圖13 小型辦公建筑S4人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

圖14 小型辦公建筑S5人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

圖15 小型辦公建筑S8人員分布時(shí)3種控制策略的瞬時(shí)溫度分布

3.2.3區(qū)域溫度和風(fēng)量定量分析

大型活動(dòng)中心L6～L8人員分布類型部分被占用區(qū)域(區(qū)域1、6、15、20)的溫度和風(fēng)量仿真結(jié)果分別如圖16、17所示。當(dāng)室內(nèi)人員不均勻分布時(shí),無論室內(nèi)人員總數(shù)量與設(shè)計(jì)在室人員總數(shù)量相同(L6)或是低于(L7)還是高于(L8)設(shè)計(jì)在室人員總數(shù)量,由于傳統(tǒng)控制策略對(duì)所有區(qū)域均勻送風(fēng),均會(huì)導(dǎo)致占用區(qū)的溫度高于設(shè)定溫度,尤其在L8人員分布類型時(shí),占用區(qū)的溫度持續(xù)穩(wěn)定在26.6 ℃,導(dǎo)致占用區(qū)人員的嚴(yán)重?zé)岵贿m。而分區(qū)主從控制根據(jù)實(shí)際占用情況僅對(duì)被占用區(qū)提供準(zhǔn)確的風(fēng)量,能快速將被占用區(qū)的溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度,但仍避免不了系統(tǒng)滯后的影響。與分區(qū)主從控制策略相比,分區(qū)主從補(bǔ)償控制能夠預(yù)測(cè)人員負(fù)荷變化帶來的室溫變化,根據(jù)當(dāng)前人員負(fù)荷變化迅速調(diào)整系統(tǒng)送風(fēng)量,有效改善傳統(tǒng)控制存在的調(diào)節(jié)延遲,因此能比分區(qū)主從控制進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使室溫快速調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度,緩解系統(tǒng)滯后的影響。由于區(qū)域間熱傳遞的存在,在分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制中,即使占用區(qū)的人員數(shù)量相同,每個(gè)區(qū)域的送風(fēng)量也是不同的。

圖16 大型活動(dòng)中心L6～L8人員分布時(shí)部分被占用區(qū)域3種控制策略下的溫度

圖17 大型活動(dòng)中心L6～L8人員分布時(shí)部分被占用區(qū)域3種控制策略下的風(fēng)量

3.2.4總風(fēng)量定量分析

大型活動(dòng)中心L6～L8人員分布時(shí)3種控制策略下的總風(fēng)量如圖18所示。在系統(tǒng)調(diào)節(jié)初始,傳統(tǒng)控制策略由于其系統(tǒng)所存在的滯后特性,并不能跟隨室內(nèi)負(fù)荷變化而迅速調(diào)整送風(fēng)量,而分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制根據(jù)區(qū)域?qū)崟r(shí)占用負(fù)荷對(duì)被占用區(qū)提供所需的風(fēng)量。同時(shí),與分區(qū)主從控制相比,分區(qū)主從補(bǔ)償控制能夠根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷變化提供區(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制由于僅對(duì)被占用區(qū)送風(fēng),避免未占用區(qū)域的調(diào)節(jié)而減少了系統(tǒng)的送風(fēng)量,達(dá)到了節(jié)能的效果。圖19顯示了小型辦公建筑S6～S8人員分布時(shí)3種控制策略下的總風(fēng)量變化,可以看出所提出的分區(qū)主從補(bǔ)償控制在小型建筑空間中仍具有明顯的響應(yīng)優(yōu)勢(shì)。

圖18 大型活動(dòng)中心L6～L8人員分布時(shí)3種控制策略下的總風(fēng)量

圖19 小型辦公建筑S6～S8人員分布時(shí)3種控制策略下的總風(fēng)量

3.2.5能耗分析

大型活動(dòng)中心和小型辦公建筑9種人員分布時(shí)3種控制策略下的能耗如圖20所示。在L0和S0人員均勻分布情況下,與傳統(tǒng)控制策略相比,由于分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制提供精準(zhǔn)的區(qū)域溫度控制,會(huì)消耗更多的能源。但在人員不均勻分布時(shí),無論室內(nèi)人員實(shí)際占用情況如何,傳統(tǒng)控制始終對(duì)整個(gè)空間制冷,消耗了更多的能源,分區(qū)主從控制和分區(qū)主從補(bǔ)償控制根據(jù)實(shí)時(shí)人員負(fù)荷提供室外空氣,并根據(jù)人員在空間中的實(shí)際分布僅對(duì)被占用區(qū)進(jìn)行溫度調(diào)控,均能達(dá)到節(jié)能效果,與傳統(tǒng)控制策略相比,最多節(jié)省8.5%的能源。在小型辦公建筑這類小空間建筑中,雖然節(jié)能效果沒有大空間建筑明顯,但也具有微弱的節(jié)能潛力。分區(qū)主從補(bǔ)償控制的節(jié)能效果與分區(qū)主從控制的節(jié)能效果基本一致,但與分區(qū)主從控制相比,分區(qū)主從補(bǔ)償控制系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的響應(yīng)速度及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境變化和負(fù)荷變化的快速調(diào)節(jié)上。

圖20 大型活動(dòng)中心建筑和小型辦公建筑9種人員分布時(shí)3種控制策略下的能耗

3.3 區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略對(duì)區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化調(diào)控的有效性,選擇大型活動(dòng)中心建筑L3人員分布進(jìn)行占用區(qū)域人員負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的仿真與分析。根據(jù)設(shè)計(jì)占用密度,每個(gè)區(qū)域的最大人數(shù)為6人,室內(nèi)總?cè)藬?shù)和占用區(qū)域人數(shù)變化如圖21所示。

圖21 大型活動(dòng)中心L3人員分布區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化

大型活動(dòng)中心L3人員分布區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的溫度和風(fēng)量仿真結(jié)果如圖22所示。圖22a～f表明:在室內(nèi)人員數(shù)量較少及室外溫度不高的08:00—09:00 時(shí)間段內(nèi),由于傳統(tǒng)控制策略根據(jù)設(shè)計(jì)占用人數(shù)及空間面積供應(yīng)新風(fēng)量,并對(duì)整個(gè)空間均勻送風(fēng),造成室內(nèi)溫度過低;當(dāng)區(qū)域人員負(fù)荷增大時(shí),傳統(tǒng)策略由于送風(fēng)量難以跟隨負(fù)荷變化,導(dǎo)致區(qū)域溫度持續(xù)高于設(shè)定溫度;當(dāng)區(qū)域人員負(fù)荷減少時(shí),送風(fēng)量大于區(qū)域所需風(fēng)量,導(dǎo)致區(qū)域溫度過低;當(dāng)室內(nèi)無人時(shí),傳統(tǒng)控制策略仍提供風(fēng)量,造成能源浪費(fèi)。

圖22 區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化(大型活動(dòng)中心L3人員分布)時(shí)的仿真結(jié)果

分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略根據(jù)區(qū)域人員負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化提供區(qū)域風(fēng)量以調(diào)控區(qū)域溫度到設(shè)定溫度;同時(shí)分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略根據(jù)區(qū)域人員負(fù)荷的變化提供區(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償值,人員增多時(shí),與分區(qū)主從控制策略相比,能更快地調(diào)節(jié)區(qū)域溫度到設(shè)定溫度;人員減少時(shí),與分區(qū)主從控制策略相比,分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略的區(qū)域送風(fēng)量減少,其區(qū)域溫度稍高于分區(qū)主從策略的區(qū)域溫度,但不會(huì)對(duì)區(qū)域溫度造成過大的波動(dòng);區(qū)域10和區(qū)域11在08:00—17:00時(shí)間段內(nèi)一直被占用,在12:00—13:00時(shí)間段受到區(qū)域熱耦合效應(yīng),區(qū)域10和區(qū)域11提高送風(fēng)量以維持區(qū)域溫度,在13:00時(shí),當(dāng)其他區(qū)域由于人員負(fù)荷增大開始送風(fēng)時(shí),區(qū)域10和區(qū)域11的送風(fēng)量逐漸減少。

圖22g的溫度仿真結(jié)果表明,雖然分區(qū)主從控制策略和分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略的室內(nèi)平均溫度高于傳統(tǒng)控制策略的室內(nèi)平均溫度,但占用區(qū)的平均溫度基本均調(diào)控在設(shè)定溫度值內(nèi),與傳統(tǒng)控制策略相比,能給占用區(qū)人員提供更舒適的區(qū)域環(huán)境。圖22g的總風(fēng)量仿真結(jié)果表明,所提出的控制策略能避免能源的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種人員負(fù)荷視覺動(dòng)態(tài)估計(jì)的熱不均勻空間溫度分區(qū)補(bǔ)償控制方法,以提高公共建筑室內(nèi)人員的舒適性,改善空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的滯后性,并降低建筑能耗。該方法通過將室內(nèi)空間劃分為適當(dāng)?shù)亩鄠€(gè)區(qū)域,利用攝像機(jī)采集室內(nèi)空間圖像信息,然后通過設(shè)計(jì)人員計(jì)數(shù)與定位模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域及室內(nèi)負(fù)荷的實(shí)時(shí)估計(jì)。提出了一種分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略,采用區(qū)域溫度控制器和區(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償器獲取區(qū)域的總風(fēng)量,調(diào)節(jié)被占用區(qū)域風(fēng)閥的開度,通過室內(nèi)溫度的分區(qū)調(diào)控緩解了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)造成的人員熱不舒適問題,并通過引入?yún)^(qū)域風(fēng)量補(bǔ)償模塊,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)了9種室內(nèi)人員分布類型和區(qū)域人員數(shù)量動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn),并建立了2個(gè)建筑模型來驗(yàn)證所提出的分區(qū)主從補(bǔ)償控制策略的有效性,該策略在大空間的公共建筑模型中實(shí)現(xiàn)了8.5%的節(jié)能效果,改善了系統(tǒng)響應(yīng)的滯后性。