一种大型场馆变风量空调系统节能控制方法与流程

1.本发明涉及自动控制、节能控制、智慧场馆领域，更具体涉及变风量空调系统的末端装置的一种大型场馆变风量空调系统节能控制方法。


背景技术：

2.目前主流的大型会展场馆中央空调系统的均采用全空气vav系统，即变风量空调系统系统。目前在大型会展场馆中央空调系统的末端装置控制器中，主流采用温度反馈控制调节电动风阀的开度以改变送风量，该调节方法的判断依据为温度传感器检测值和各空调区域温度设定值的差值。但是由于温度传感器检测存在时延并且系统调节控制需要时间，而大型会展场馆的人流量大且流动频繁，因此无法及时检测并快速调节状态骤变的局部区域空气。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种基于人员行为感知的大型会展场馆变风量空气调节控制方法，对各变风量空调系统的变风量控制箱(vavbox)进行分布式实时控制的一种大型场馆变风量空调系统节能控制方法。
4.空调区域划分，将场馆进行区域划分，划分后的空调区域编号用ai表示，其中i∈{1,2,3，
……
，n}，n为空调系统变风量控制箱的总数量；
5.摄像头部署及视频识别区域标记，将各摄像头监控到的各空调区域表示为p(sx,j,ai)，其中sx为各摄像头编号，摄像头数量s以能监视到全部空调区域为准，sx∈{1,2，
…
，s}，j为各摄像头监视区域中各空调区域编号，每个摄像头监控标记的区域数量不超过3个，即0《j≤3；
6.数据采集及温度设定，按周期循环采集空调运行状态数据和人员数量及态势数据，采集周期编号用k表示，对各空调区域的温度设定值th
ref
(ai)(k)进行设定；
7.以及空调系统变风量控制箱的控制，包括变风量控制箱控制模块、前馈控制模块、反馈控制模块及风阀控制模块。
8.所述变风量控制箱控制模块包括电动风阀、风速传感器、控制器和温度传感器，，其中温度传感器安装在其负责空调区域内或该空调区域的对应的回风支管内；
9.所述数据采集及温度设定部分包括空调运行状态数据采集、空调区域内人员数量及态势感知以及空调区域温度设定值th
ref
(ai)(k)设置；
10.所述空调运行状态数据采集为采集安装在各空调区域或空调区域对应的回风支管上的温度传感器的值th(ai)(k)。
11.所述空调区域内人员数量及态势感知为识别出当前采集时刻各标绘区域视频中逗留人员数量n
walk
(ai)(k)及行走人员的数量n
stay
(ai)(k)。
12.所述各空调区域温度设定值th
ref
(ai)(k)根据各空调区域的人员数量及态势数据设置。
13.所述各空调区域温度设定值th
ref
(ai)(k)的触发条件及设置值为：
14.当n
walk
(ai)(k)＝0且n
stay
(ai)(k)＝0且持续时间大于10u时时，设置为28℃；
15.当n
walk
(ai)(k)＝0且n
stay
(ai)(k)》0且持续时间大于2u时，设置为27℃；
16.当n
walk
(ai)(k)》0且持续时间大于2u时，设置为26℃。
17.所述前馈控制模块的输入为空调区域内的行走人员数量和逗留人员数量，输出为该空调区域变风量控制箱的前馈控制需风量。
18.所述系统变风量控制箱控制模块执行如下步骤：
19.步骤(1)根据第k个采集周期编号空调区域ai内行走人员数量n
walk
(ai)(k)和逗留人员数量n
stay
(ai)(k)，通过前馈控制模块计算得到前馈控制需风量；
20.步骤(2)根据第k个采集周期编号空调区域ai的温度设定值th
ref
(ai)与各空调区域或空调区域对应的回风支管上的温度传感器的值th(ai)(k)的差值，通过反馈控制模块计算后得到反馈控制需风量；
21.步骤(3)前馈控制模块需风量加上反馈控制模块需风量得到系统变风量控制箱的需风量；
22.步骤(4)变风量控制箱控制模块的风速传感器检测值用sf(ai)(k)表示，将第k个采集周期编号为ai空调区域内的风速乘以风管横截面积ks得到反馈风量；
23.步骤(5)变风量控制箱控制模块的需风量减反馈风量的差值送入风阀控制模块计算后得到风阀开度的设定值；
24.步骤(6)将电动风阀开度开至风阀开度的设定值，通过改变风速对风量进行调控，进而消除人员散热散湿给空调区域带来的空调负荷，进而将空调区域温度稳定在第k个采集周期编号空调区域ai的温度设定值th
ref
(ai)。
25.所述前馈的控制模块的输入与输出的函数关系式如下：
26.各空调区域系统变风量控制箱第k个采集周期，空调区域ai前馈控制需风量vf
ff
(ai)(k)等于该空调区域人员人体散热引起的空调负荷除以该空调区域的送回风焓值，计算公式见(1)：
[0027][0028]
第k个采集周期，空调区域ai人体散热引起的空调负荷q
p
(ai)(k)包括，人员人体显热散热引起的空调负荷qc(ai)(k)和人员人体潜热散热引起的空调负荷qq(ai)(k)，计算公式见(2)：
[0029]qp
(ai)(k)＝qc(ai)(k) qq(ai)(k)
ꢀꢀꢀ
公式(2)
[0030]
场馆各区域内人体显热散热引起的空调负荷qc(ai)(k)，计算公式见(3)：
[0031][0032]
场馆各区域内人体散热引起的潜热空调负荷qq(ai)(k)，计算公式见(4)：
[0033][0034]
结合式(1)(2)(3)(4)得到各空调区域系统变风量控制箱的前馈的控制器的输入与输出的函数关系式为：
[0035][0036]
以上公式中，
[0037]
hh(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai回风的焓值，其值根据th(ai)(k)和dh(ai)(k)查询焓湿图；
[0038]
hs(k)表示第k个采集周期，空调系统总送风的焓值，其值根据ts(k)和ds(k)通过查询焓湿图；
[0039]
表示群聚系数表示人员的年龄构成、性别构成以及密集程度等情况的不同而考虑的折减系数；
[0040]clq
表示人体显热散热引起的空调冷负荷系数；
[0041]qx
(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai内单位时间人体显热散热量；；
[0042]qq
(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai内单位时间单个人体潜热散热量；
[0043]kp
(ai)、ti(ai)、td(ai)表示空调区域ai的反馈pid控制器的比例系数、积分系数、微分系数；
[0044]
kf
p
(ai)、tfi(ai)、tfd(ai)表示空调区域ai的风阀pid控制器的比例系数、积分系数、微分系数。
[0045]
所述反馈pid控制模块各系数整定方法如下：
[0046]
步骤(a1)比例系数k
p
(ai)整定，首先将积分系数设置50000以上，再将微分系数设置为0，然后将比例系数由0调大，调整至出现5％以内的超调量；
[0047]
步骤(b1)积分系数ti(ai)整定，将积分系数由大递减，如果出现大的超调或系统震荡，则减小比例系数，直到消除静差的速度达成预期；
[0048]
步骤(c1)微分系数td(ai)整定，如果比例和积分整定已达到响应效果则将微分系数设置为0，如果比例和积分整定无法到达响应效果，则将微分系数从0增大，直至系统响应满足要求。
[0049]
所述风阀pid控制模块各系数整定方法如下：
[0050]
步骤(a2)比例系数kf
p
(ai)整定，首先将积分系数设置50000以上，再将微分系数设置为0，然后将比例系数由0调大，调整至出现5％以内的超调量；
[0051]
步骤(b2)积分系数tfi(ai)整定，将积分系数由大递减，如果出现大的超调或系统震荡则减小比例系数，直到消除静差的速度达成预期；
[0052]
步骤(c2)微分系数tfd(ai)整定，如果比例和积分整定已达到响应效果则将微分系数设置为0，如果比例和积分整定无法到达响应效果则将微分系数从0增大，直至系统响应满足要求。
[0053]
有益效果
[0054]
(1)应用视频分析技术实时感知场馆内各区域人员行为及数量，从而动态调整各空调区域的温度设定值。
[0055]
(2)结合各空调区域的温度值实时计算各空调区域内人员产生的空调负荷，通过前馈和反馈控制相结合的控制方法，对各vavbox进行分布式实时控制，精准控制各空调区域的温度。
附图说明
[0056]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0057]
图1是典型全空气系统空调结构图。
[0058]
图2是变风量控制箱的组成图。
[0059]
图3是空调区域划分示意图。
[0060]
图4是各空调区域在各摄像头监控窗口中的标记示意图。
[0061]
图5是编号ai的空调区域的变风量控制箱控制方框图。
[0062]
图6是应用不同控制方法变风量空调系统消耗的冷量对比图。
[0063]
图7a是应用本发明方法场馆内的温度分布图。
[0064]
图7b是应用传统方法场馆内的温度分布图。
具体实施方式
[0065]
如图1所示，变风量空调系统，主要分成两个部分，一是vavbox空气调节控制，负责各空调区域22空气状态调节控制，包括送风支管6和回风支管7；二是空气集中处理控制，主要负责空气的集中处理控制，包括送风总管8、回风总管9、空气处理机组、控制阀门和传感器。
[0066]
所述空气处理机组包括过滤器20、表冷器18和风机17；所述控制阀门包括电动回风阀15、电动新风阀16和电动水阀19；所述传感器包括温度传感器5、湿度传感器11和co2浓度传感器12。
[0067]
在回风总管9上设置温度传感器5、湿度传感器11和co2浓度传感器12；回风总管内的风一部分由排风管13排到室外，一部分经过电动回风阀15与新风管21送入的新风混合回到空气处理机组，依次经过过滤器20、表冷器18和风机17回到送风总管8；在新风管21处设置电动新风阀16；在过滤器20两侧设置压差开关14；在表冷器18的回水管设置电动水阀19。
[0068]
如图2所示，vavbox即变风量控制箱，主要由箱体1、电动风阀2、风速传感器3、控制器4和温度传感器5组成。所述风速传感器设置在箱体1的进风口处，电动风阀2和控制器4设置在箱体1的外侧面，温度传感器5安装在其负责空调区域内或该空调区域的对应的回风支管7内。
[0069]
一、空调区域划分
[0070]
如图3所示，按各vavbox所管辖的空调区域范围对场馆空调区域进行划分，划分后的空调区域编号用ai表示，其中i∈{1,2,3，
……
，n}，n为空调系统vavbox的总数量。
[0071]
二、摄像头部署及视频识别区域标记
[0072]
设用到的摄像头数量为s个，开启所有的摄像头，如图4所示，在各摄像头监控窗口(即每个摄像头所监控的所有区域)中标记出所监视到的各空调区域p(sx,j,ai)。其中sx表示标记区域所在监控窗口对应的摄像头编号；j为监控窗口中各标绘区域编号，每个摄像头监控窗口中标绘的区域数量不宜超过3个，即0《j≤3；ai为该标绘区域对应的空调区域的编号。
[0073]
三、数据采集及温度设定
[0074]
周期u的值根据场馆控制的实时性要求进行设置，实时性要求高则此值设置偏小。
按周期循环采集空调运行状态数据和人员态势数据，采集周期编号用k表示。对各空调区域的温度设定值进行设定，方法如下：
[0075]
空调运行状态数据采集：通过通讯接口采集安装在各空调区域或空调区域对应的回风支管上的温度传感器的值th(ai)(k)。
[0076]
1)空调区域内人员数量及态势感知
[0077]
启动所有摄像头，对各摄像头视频数据进行视频识别，识别出当前采集时刻各标绘区域视频中逗留人员数量n
walk
(ai)(k)及行走人员的数量n
stay
(ai)(k)，视频识别的误差控制在10％以内。视频识别的方法可以参考引用文献“基于多视图半监督学习的人体行为识别[j].唐超,王文剑,王晓峰,张琛,邹乐.模式识别与人工智能.2019(04)”、“基于深度图像的人体行为识别[j].唐超,张苗辉,李伟,曹峰,王晓峰,童晓红.系统仿真学报.2018(05)”。
[0078]
2)各空调区域温度设定值设置
[0079]
根据各空调区域的人员行为及数量，对该空调区域的温度设定值th
ref
(ai)(k)进行重新设置，设置触发条件及推荐设置值见表1。各触发条件下推进设置值据场馆舒适度要求进行调整，适度要求越高其值设置越低，反之亦然。
[0080]
表1空调区域回风温度设置表
[0081][0082]
四、vavbox控制
[0083]
图5为会展场馆各空调区域vavbox的控制方框图，输出为该空调区域的温度值th(ai)(k)，控制过程如下：
[0084]
步骤(1)n
walk
(ai)(k)和n
stay
(ai)(k)通过前馈控制模块计算得到前馈控制需风量；
[0085]
步骤(2)th
ref
(ai)与th(ai)(k)的差值通过反馈控制模块计算后得到反馈控制需风量；
[0086]
步骤(3)前馈控制需风量加反馈控制需风量得到vavbox的需风量；
[0087]
步骤(4)vavbox上的风速传感器检测值(用sf(ai)(k)表示，即第k个采集周期编号为ai空调区域内的vavbox内的风速)乘以风管横截面积(用ks表示)得到vavbox的反馈风量；
[0088]
步骤(5)vavbox的需风量减vavbox的反馈风量的差值送入风阀控制模块计算后得到风阀开度的设定值；
[0089]
步骤(6)将电动风阀开度开至风阀开度的设定值，以改变风速，进而改变风量，进
而消除人员散热散湿给空调区域带来的空调负荷，进而将空调区域温度稳定在th
ref
(ai)左右。
[0090]
其中涉及的前馈控制模块、反馈控制模块及风阀控制模块设计如下：
[0091]
1、前馈控制模块设计
[0092]
各空调区域vavbox的前馈控制模块的作用主要是消除人员在该空调区域流动或短时聚集对空气状态的影响，及时根据该区域人员数量计算出该空调区域vavbox的前馈控制需风量，以及时调整vavbox的送风量，调节空调区域空气状态。如图5，前馈控制模块的输入为空调区域内的行走人数数量和逗留人员数量，输出为该空调区域vavbox的前馈控制需风量。
[0093]
各空调区域vavbox前馈控制需风量等于该空调区域人员人体散热引起的空调负荷除以该空调区域的送回风焓值，计算公式如(1)所示：
[0094][0095]
该空调区域人体散热引起的空调负荷包括，人员人体显热散热引起的空调负荷和人员人体潜热散热引起的空调负荷，计算公式如(2)所示：
[0096]qp
(ai)(k)＝qc(ai)(k) qq(ai)(k)
ꢀꢀꢀ
公式(2)
[0097]
场馆各区域内人体显热散热引起的空调负荷qc(ai)(k)，计算公式如(3)所示：
[0098][0099]
场馆各区域内人体散热引起的潜热空调负荷qq(ai)(k)，计算公式如(4)所示：
[0100][0101]
结合式(1)(2)(3)(4)可得到各空调区域vavbox的前馈的控制器的输入与输出的函数关系式为：
[0102][0103]
其中，
[0104]
hh(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai回风的焓值，其值根据th(ai)(k)和dh(ai)(k)查询焓湿图；
[0105]
hs(k)表示第k个采集周期，空调系统总送风的焓值，其值根据ts(k)和ds(k)通过查询焓湿图；
[0106]
表示群聚系数表示人员的年龄构成、性别构成以及密集程度等情况的不同而考虑的折减系数；
[0107]clq
表示人体显热散热引起的空调冷负荷系数；
[0108]qx
(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai内单位时间内单个人体显热散热散发的热量，其值根据th(ai)(k)的值通过表2查询得到；
[0109]qq
(ai)(k)表示第k个采集周期，空调区域ai内单位时间单个人体潜热散热量，其值根据th(ai)(k)的值通过查询表3得到；
[0110]kp
(ai)、ti(ai)、td(ai)表示空调区域ai的反馈pid控制器的比例系数、积分系数、微分系数；
[0111]
kf
p
(ai)、tfi(ai)、tfd(ai)表示空调区域ai的风阀pid控制器的比例系数、积分系数、微分系数。
[0112]
2、反馈控制模块的设计
[0113]
各空调区域反馈控制模块选用pid控制器，其比例系数、积分系数、微分系数分别用k
p
(ai)、ti(ai)、td(ai)表示，各系数整定方法如下：
[0114]
步骤(a1)比例系数整定
[0115]
首先将积分系数设置为一个很大值，一般设置为50000以上，再将微分系数设置为0，然后将比例系数由0逐渐调大，观察系统的响应，调整至出现5％以内的超调量；
[0116]
步骤(b1)积分系数整定
[0117]
将积分系数由大逐渐递减，观察系统的响应，系统的静差应逐渐减少直至消除，此时如果出现大的超调(超调量大于10％)或系统震荡，则可以适当减小比例系数，直到消除静差的速度达成预期；
[0118]
步骤(c1)微分系数整定
[0119]
如果比例和积分整定无法到达好的响应效果，则此时可逐渐将微分系数从0增大，然后观察系统响应，直至系统响应满足要求，其间可微调比例和积分系数，如果比例和积分整定已达到很好的响应效果则可以将微分系数设置为0。
[0120]
3、风阀控制模块设计
[0121]
各空调区域的风阀控制模块选用pid控制器，其比例系数、积分系数、微分系数分别用kf
p
(ai)、tfi(ai)、tfd(ai)表示，各系数整定方法如下：
[0122]
步骤(a2)比例系数kf
p
(ai)整定
[0123]
首先将积分系数设置为一个很大值，一般设置为50000以上，再将微分系数设置为0，然后将比例系数由0逐渐调大，观察系统的响应，调整至出现5％以内的超调量；
[0124]
步骤(b2)积分系数tfi(ai)整定
[0125]
将积分系数由大逐渐递减，观察系统的响应，系统的静差应逐渐减少直至消除，此时如果出现大的超调(超调量大于10％)或系统震荡，则可以适当减小比例系数，直到消除静差的速度达成预期；
[0126]
步骤(c2)微分系数tfd(ai)整定
[0127]
如果比例和积分整定无法到达好的响应效果，则此时可逐渐将微分系数从0增大，然后观察系统响应，直至系统响应满足要求，其间可微调比例和积分系数，如果比例和积分整定已达到很好的响应效果则可以将微分系数设置为0。
[0128]
表2人员人体单位时间内显热散热量
[0129][0130]
表3人员人体单位时间内潜热散热量
[0131][0132]
实施例
[0133]
本方法应用在一个3万平方米的会展场馆，此场馆空调面积为1.8万平方米，配置了4台制冷量为650rt的离心式冷水机组(空调主机)。选取气候、温度及观展人数相似的两天，分别使用传统控制方法和本控制方法对变风量空调系统进行控制，各控制方法消耗的冷量及场馆内的温度分布图分别见图6、图7a和图7b。图6显示本控制方法节约冷量8688kw
·
h，节能率14.27％，节能效果明显；图7a显示，应用本技术控制方法时场馆内人流密集区域“观展通道”的温度控制在人体舒适范围内，而其他无人或少人区域温度则稍有偏高，能充分将冷量用在需要的区域，为观展人员创造舒适环境；图7b显示，应用传统控制方法时场馆内人流密集区域“观展通道”的温度比无人或少人的区域温度明显偏高，特别是人员密接区域温度严重偏高，舒适度较差，而无人少人区域温度明显偏低，能源浪费严重。
[0134]
本发明提供了一种大型场馆变风量空调节能控制方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。