變風(fēng)量空調(diào)房間溫度傳感器最佳位置預(yù)測(cè)

(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(duì)空調(diào)系統(tǒng)而言，室內(nèi)傳感器測(cè)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(guò)末端裝置調(diào)節(jié)每個(gè)房間的送風(fēng)量，引起房間溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)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(shí)際工程中室內(nèi)傳感器大多安裝在門(mén)口等便于用戶觀察操作的位置,其測(cè)量值不能準(zhǔn)確反映房間的真實(shí)情況，依據(jù)其進(jìn)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制優(yōu)化與節(jié)能有重要影響。

目前，國(guó)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(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方法跟蹤計(jì)算室內(nèi)污染物數(shù)量，對(duì)封閉環(huán)境的傳感器進(jìn)行了優(yōu)化布置，確定室內(nèi)傳感器位置、響應(yīng)時(shí)間及傳感器數(shù)量，同時(shí)評(píng)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(duì)風(fēng)量傳感特性的影響,通過(guò)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué))仿真軟件在機(jī)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(cè)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(kāi)發(fā)了傳感器優(yōu)化單元，以傳感器測(cè)量性能為指標(biāo)，優(yōu)化了大空間運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館最佳溫度傳感器安裝位置。孫占鵬等[7]設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)空氣各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(shí)監(jiān)測(cè)到污染物，及時(shí)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(tái)，對(duì)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(guò)CFD-BES協(xié)同仿真平臺(tái)，綜合考慮空調(diào)系統(tǒng)能耗和預(yù)測(cè)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(guó)內(nèi)外多數(shù)研究集中于多傳感器的監(jiān)測(cè)、仿真；對(duì)單傳感器測(cè)點(diǎn)的研究?jī)H找出了不利測(cè)點(diǎn)，對(duì)單傳感器的最佳測(cè)點(diǎn)位置目前還沒(méi)有較好的解決方法。實(shí)際中，為減少造價(jià)，小面積辦公、住宅樓等建筑內(nèi)，一個(gè)房間多采用單個(gè)傳感器，其最佳安裝位置很關(guān)鍵，需進(jìn)一步探索研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文綜合考慮室內(nèi)溫度、風(fēng)速對(duì)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(duì)室內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，分析變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)不同室內(nèi)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，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(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感加權(quán)融合算法[11]的進(jìn)一步改進(jìn)，該方法首先對(duì)傳感器多次采樣數(shù)據(jù)求均值，同時(shí)確定各傳感器測(cè)量值的計(jì)算權(quán)值，最后通過(guò)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(gè)傳感器對(duì)房間內(nèi)溫度、風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，得到溫度和風(fēng)速分別為t1，t2,…,tx；v1，v2,…,vx，進(jìn)而可計(jì)算有效吹風(fēng)溫度，再將計(jì)算值進(jìn)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(gè)融合值，計(jì)`算過(guò)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(cè)點(diǎn)x的空氣溫度，℃；tr為室內(nèi)平均溫度，℃；vx為室內(nèi)測(cè)點(diǎn)x的空氣風(fēng)速，m/s。

2)權(quán)值匹配

實(shí)際測(cè)量中個(gè)別傳感器出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏離會(huì)降低融合精度。應(yīng)先對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析和基于信任度的一致性檢驗(yàn)，剔除異常結(jié)果[12]，此過(guò)程稱(chēng)為一次處理。

(2)

第i個(gè)傳感器的測(cè)量方差σi12為：

(3)

(4)

(5)

式中：m為各個(gè)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(gè)傳感器m次歷史數(shù)據(jù)的均值yi為：

(8)

通過(guò)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(guò)式(9)獲得傳感器的融合值θ′：

(9)

2 室內(nèi)溫度傳感器測(cè)點(diǎn)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(cè)量值會(huì)有差異，以此為依據(jù)進(jìn)行房間溫度控制會(huì)因測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)研究時(shí)考慮了如下幾點(diǎn)：

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(cè)量室內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速時(shí)，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(hù)結(jié)構(gòu)的輻射作用，傳感器布置應(yīng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)保持一定距離。

室內(nèi)多傳感器測(cè)點(diǎn)研究平臺(tái)由不同長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)角各安裝一個(gè)底輪，有利于調(diào)整研究平臺(tái)在房間內(nèi)的位置?？蚣艿淖畹退矫鏋?.10 m。

圖3所示為傳感器平面布置示意圖。將研究平臺(tái)整體框架的長(zhǎng)×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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以1.9 m高度的平面為例，在長(zhǎng)和寬分別距框架兩端為25 cm和20 cm處做標(biāo)記，傳感器長(zhǎng)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(gè)。

圖2 多傳感器測(cè)點(diǎn)研究平臺(tái)Fig.2 The multi-sensor measurement research platform

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

對(duì)室內(nèi)溫度、風(fēng)速進(jìn)行采樣時(shí)，涉及大量實(shí)驗(yàn)，傳感器的精度會(huì)影響最終有效吹風(fēng)溫度的計(jì)算，最終選取HT10溫度傳感器和HD103T風(fēng)速傳感器，以滿足實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)分析

在西安建筑科技大學(xué)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，該空調(diào)系統(tǒng)由2臺(tái)冷水機(jī)組、1臺(tái)輔助電加熱器、1臺(tái)變頻冷凍水泵二次泵、3臺(tái)冷凍水泵一次泵、3臺(tái)冷卻水泵、1臺(tái)冷卻塔、2臺(tái)空氣處理機(jī)組(AHU)和6個(gè)VAVBOX組成，其中風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、過(guò)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(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)保溫彩鋼板搭建模擬6個(gè)空調(diào)房間，用于反饋空調(diào)的使用效果，其中空調(diào)機(jī)組1連接Room1～Room4，空調(diào)機(jī)組2連接Room5～Room6。針對(duì)本文有效吹風(fēng)溫度計(jì)算需通過(guò)房間空調(diào)區(qū)域?qū)崪y(cè)各點(diǎn)的空氣溫度和風(fēng)速確定，隨機(jī)選取空調(diào)房間Room5為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)溫度傳感器、風(fēng)速傳感器的布置。實(shí)驗(yàn)工況選40%～100%的設(shè)計(jì)風(fēng)量，逐步改變房間送風(fēng)量大小，進(jìn)行室內(nèi)多傳感器測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)通過(guò)增加一臺(tái)1 kW的小太陽(yáng)取暖器來(lái)模擬房間的負(fù)荷變化。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)械部件耗損與傳感器誤差等多種原因，末端風(fēng)量實(shí)測(cè)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(diǎn)是否有吹風(fēng)感，當(dāng)θ在-1.7～1.1 ℃之間時(shí)，大多數(shù)人會(huì)感到舒適[15]。通過(guò)對(duì)選取不同高度上測(cè)點(diǎn)處的溫度、風(fēng)速采樣值進(jìn)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(jì)風(fēng)量時(shí)，無(wú)法滿足室內(nèi)負(fù)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(jì)風(fēng)量時(shí)，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(jì)風(fēng)量時(shí)，達(dá)到室內(nèi)負(fù)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(dá)到90%～100%的最大設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，送風(fēng)量大量超出室內(nèi)負(fù)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(diǎn)多位于房間1.1 m以下。對(duì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)整個(gè)空調(diào)房間的氣流分布，反映了空調(diào)區(qū)氣流分布帶來(lái)的影響[17]。ADPI值越大，說(shuō)明感到舒適的人群比例越大，ADPI的最大值為100%。其計(jì)算如式(10)：

(10)

通過(guò)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(rèn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合分析時(shí)，對(duì)1.5 m平面工況為D和E下進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣研究。

表3 不同平面處不同送風(fēng)量對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)末端風(fēng)閥改變Room5的送風(fēng)量進(jìn)行房間溫度調(diào)節(jié)，同時(shí)單個(gè)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(jī)頻率的變化進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)能耗。風(fēng)系統(tǒng)輸送負(fù)荷的變化會(huì)引起水系統(tǒng)負(fù)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(jī)能耗會(huì)隨送風(fēng)量的增大而增大，即風(fēng)系統(tǒng)能耗增大，同時(shí)冷負(fù)荷增加，為滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求，水系統(tǒng)需增加相應(yīng)負(fù)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(duì)室內(nèi)不同高度平面的θ、ADPI及空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，選取1.5 m平面處的工況D進(jìn)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(jì)算。通過(guò)式(7)對(duì)各測(cè)點(diǎn)200次采樣時(shí)12個(gè)傳感器的權(quán)值計(jì)算，得到權(quán)值如表4所示。其中權(quán)值w1=0.151，在12個(gè)計(jì)算權(quán)值中最大，說(shuō)明溫度傳感器1和風(fēng)速傳感器1的測(cè)量值得到的θ在平面位于1.5 m處且工況為D時(shí)所占的權(quán)重最大。

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

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

在選取的實(shí)驗(yàn)工況下對(duì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行200次采樣，得到各測(cè)點(diǎn)有效吹風(fēng)溫度如圖5所示。進(jìn)一步采用基于修正誤差學(xué)習(xí)的融合算法得到測(cè)點(diǎn)融合值θ′=0.39。由圖5可知，測(cè)點(diǎn)1處θ=0.45 ℃，與融合值最接近。因此，綜合考慮測(cè)點(diǎn)處的計(jì)算權(quán)值和融合結(jié)果，可知在測(cè)點(diǎn)1位置進(jìn)行室內(nèi)傳感器安裝更合理。實(shí)際中，房間中心無(wú)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(cè)點(diǎn)對(duì)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(shí)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(jìn)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(shí)，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(cè)點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行房間溫度調(diào)控有利于保持室內(nèi)人員熱舒適性，同時(shí)提高了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性。

3)融合得到的最佳測(cè)點(diǎn)位于房間中部懸空處，不滿足實(shí)際施工要求，需進(jìn)一步研究融合測(cè)點(diǎn)與其他便于施工位置點(diǎn)的映射關(guān)系，找到最佳測(cè)點(diǎn)的等效點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用價(jià)值。