一种室内换气率无线测量装置

1.本发明涉及空气质量检测设备技术领域，具体涉及一种室内换气率无线测量装置。


背景技术：

2.随着生活水平的不断提高，人们的健康意识逐渐提升。越来越多的人追求更高的生活质量。对于一个宜居性好的房子，则必须考虑其室内空气质量(iaq)。新风量是衡量室内空气质量的重要指标。在中国国家标准gb/t18204.18-2000中，新风量定义为通过空调系统通道和房间门窗之间的缝隙进入房间的空气总量。我们知道，当房间的门窗自然关闭时，新风量大约等于间隙风流量。此外，当净空气流量和房间的风量相对固定时，也可以确定实验室内的换气率。一些研究中指出，较小的换气率很容易导致高co2浓度，这在导致病态建筑综合症(sbs)中起着重要作用。考虑到人们大部分时间都在室内度过，房间的通风不畅将对人们的公共健康构成潜在的巨大危害。此外，随着室外温度下降和污染增加，人们愈发不想打开门窗，这也会导致室内通风不良，这些所有变化都加剧了通风条件的恶化。
3.实际上，示踪气体浓度衰减法通常用作空气变化率的测试方法。主要步骤如下：将适量的示踪气体引入室内进行试验。由于室内外空气通过密闭房间的缝隙进行交换，室内示踪气体的浓度呈指数衰减。最后，可以根据浓度随时间的变化计算空气变化率。一般采用co2作为示踪气体。对于这种方法，需要事先将一定浓度的气体引入室内进行实验，等待它们均匀扩散后再进行实验，非常不方便。另外，基于co2衰减法测量房间的换气率一般需要较长的测试时间，难以做到快速测量。因此，很有必要寻找新型示踪剂以实现既快又准地测量房间的换气率的目标。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中基于co2衰减法在测量房间的换气率时需要较长的测量时间，且操作极不方便的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种室内换气率无线测量装置，其特征在于：包括前端数据采集端、运算处理端及用户端软件，其中，所述前端数据采集端用于对室内、外的颗粒物浓度进行采集，并将检测到的数据传输到运算处理端，所述运算处理端用于对检测到的数据进行运算得出换气率，所述用户端软件用于显示检测到的数据及运算的结果，且所述用户端软件用于对所述前端数据采集端及所述运算处理端的启闭进行控制。
7.优选的，所述前端数据采集端包括若干传感器、stm32单片机及wifi模块，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器及颗粒物传感器，所述温度传感器及所述湿度传感器通过i2c通信接口连接stm32单片机，所述颗粒物传感器通过usart2通信结构连接stm32单片机，所述wifi模块通过usart3通信接口连接stm32单片机。
8.优选的，所述前端数据采集端的装置采用usb有线供电和锂电池独立供电两种方
式。
9.优选的，所述运算处理端包括前端gui界面、后台tcp服务器及换气率计算模块三个部分。
10.优选的，所述前端gui界面包括一个主界面和两个子界面，其中所述主界面包括四个部分，所述主界面的四个部分分别为客户端连接数量显示区、功能按钮区、数据显示区及本机信息显示区。
11.优选的，其中一所述子界面用于在检测完成后计算室内换气率，另一所述子界面用于设置树莓派工作模式。
12.根据权利要求1所述的室内换气率无线测量装置，其特征在于：所述用户端软件分为显示区域和操作区域两个部分。
13.根据权利要求1所述的室内换气率无线测量装置，其特征在于：所述的算法设计如下所示：
14.①
通过室内颗粒物传感器测量室内颗粒物浓度，记为c1；
15.②
通过室外颗粒物传感器测量室外颗粒物浓度，记为c2；
16.③
输入参数p，qc，v；
17.④
令ach＝0.1；
18.⑤
q＝ach
×
v；
19.⑥
计算c
in∞
(室内经净化器作用至平衡态时的颗粒物浓度)：
[0020][0021]
⑦
计算离散点集ln((c
1-c
in∞
)/(c1(1)-c
in∞
))，记为{m}，其中c1(1)是同等条件下的房间的颗粒物浓度初始值；
[0022]
⑧
对{m}随测试时间t进行线性拟合，得到直线y1；
[0023]
⑨
记直线y2＝-(qc/v)t；
[0024]
⑩
对y1和y2进行r-score检验：若r-score大于0.82，则输出此时的ach，结束计算，否则ach＝ach 0.02，并返回步骤
⑤
继续执行。
[0025]
本技术还提供了一种室内换气率的测量方法，所述测量方法基于室内颗粒物的衰减来进行计算。
[0026]
优选的，使用上述所述的室内换气率无线测量装置进行测量。
[0027]
本技术所提供的一种室内换气率无线测量装置，其基于室内的颗粒物的衰减来对换气率进行检测，能够便携且高精度地测量室内换气率，大大节约了检测成本，且同时能够快速的进行检测。
附图说明
[0028]
图1为本发明的装置总体架构示意图；
[0029]
图2为本发明的外设模块连接示意图；
[0030]
图3为本发明的数据采集端软件流程图；
[0031]
图4为本发明的运算处理端功能架构示意图；
[0032]
图5为本发明的检测系统主界面；
[0033]
图6为本发明的计算功能子界面；
[0034]
图7为本发明的设置功能子界面；
[0035]
图8为本发明的换气率求解模型流程图；
[0036]
图9为本发明的用户端界面；
[0037]
图10为本发明的测试房间1和2的测试结果一；
[0038]
图11为本发明的测试房间1和2的测试结果二。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
[0040]
部分英文释义：
[0041]
r-square：拟合优度(goodness of fit)是指回归直线对观测值的拟合程度。度量拟合优度的统计量是可决系数(亦称确定系数)r2。r2最大值为1。r2的值越接近1，说明回归直线对观测值的拟合程度越好；反之，r2的值越小，说明回归直线对观测值的拟合程度越差。
[0042]
r-score：r检验是非参数分析的一种方法，通过从两个总体中随机抽出的两个独立样本的某种集中趋势和离散趋势的检验，来分析两个总体分布是否有差异。可分为大样本检验和小样本检验。
[0043]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
[0044]
请参阅图1，一种室内换气率无线测量装置，包括前端数据采集端、运算处理端及用户端软件，其中所述前端数据采集端用于对室内及室外的温度、湿度及颗粒物浓度进行采集，并将检测到的数据传输到运算处理端，通过运算处理端对检测到的数据进行运算并得出换气率，所述用户端软件用于显示检测到的数据及运算的结果，并且所述用户端软件用于对所述前端数据采集端及运算处理端进行控制。
[0045]
所述前端数据采集端的装置采用usb有线供电和锂电池独立供电两种方式，在usb供电的同时给锂电池充电，两种供电方式能够自动切换；在一实施方式中，请参阅图2，所述前端数据采集端设置有两个，两个所述前端数据采集端分别用于对室内及室外的温度、湿度计颗粒物浓度进行测量，每一所述前端数据采集端包括若干传感器、stm32单片机及wifi模块，其中所述传感器用于对室内、室外的温度、湿度及pm2.5等进行测量，并将测量的数据通过stm32单片机及wifi模块进行传输，在一实施方式中，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器及颗粒物传感器，其中所述温度传感器及所述湿度传感器通过i2c通信接口连接stm32单片机，所述颗粒物传感器通过usart2通信结构连接stm32单片机，所述wifi模块通过usart3通信接口连接stm32单片机。
[0046]
请参阅图3，所述前端数据采集端的程序软件包括传感器的读写、通信模块驱动和数据无线上传程序，
[0047]
在一实施方式中，请参阅图4，所述运算处理端包括前端gui界面、后台tcp服务器以及换气率计算模块三个部分，其中所述前端gui界面包括一个主界面和两个子界面。
[0048]
在一实施方式中，请参阅图5，所述主界面分为四个部分，分别为第一部分、第二部分、第三部分及第三部分，其中所述第一部分为客户端连接数量显示区，用于显示连接到树莓派服务器的客户端设备数量，用于判断客户端是否上线、掉线；第二部分为功能按钮区，包括检测按钮、计算按钮、设置按钮等，点击检测按钮即向检测设备请求检测数据，频率1次/秒，点击计算按钮，可调出计算功能子界面，点击设置按钮点出设置界面；第三部分为数据显示区，所述数据显示区分为室内、室外两部分，显示检测到的室内外的温度、湿度和pm2.5含量，并且显示过程中，固定时间后保存一次数据到excel文件中，以用于后续的计算；所述第四部分为本机信息显示区，用于显示当前时间以及本地服务器的ip地址。
[0049]
请参阅图6和图7，两个所述子界面用于在检测完成后计算室内的换气率，其中一所述子界面用于在检测完成后计算室内换气率，另一所述子界面用于设置树莓派工作模式。
[0050]
在一实施方式中，所述室内换气率计算公式的推导如下所示：
[0051]
室内粒子的平衡方程可得如下：
[0052]
m＝m0 m
in-m
out-m
c-mdꢀꢀꢀ
(1)
[0053]
对式(1)进行微分处理，可得到室内瞬时的颗粒物质量方程：
[0054]
dm＝dm
in-dm
out-dm
c-dmdꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
对上式进行等量替换，可得到如下方程：
[0056]
vdc＝pc
out
qdt-cqdt-cqcdt-kvcdt
ꢀꢀꢀ
(3)
[0057]
式中v为实验房间的空气体积(m3)，c和c
out
为室内、外颗粒物浓度(mg/m3)，t为实验持续时间(h)，q为间隙风风量(m3/h)，qc为空气净化器的cadr(m3/h)，p为实验房间的颗粒渗透系数，k为颗粒物的自然沉积率(h-1
)。
[0058]
由于颗粒物的自然沉积率一般很小，可以直接忽略。因此对于式(3)，结合初始条件，可以解得其通解：
[0059][0060]
式中，c0为房间的颗粒物浓度初始值。对于式(4)，当室内内的测试时间足够长时，上式可以化简为：
[0061][0062]
上式中，c
in∞
可以理解为室内经净化器作用至平衡态时的颗粒物浓度，考虑到空气净化器的cadr远大于间隙风的风量，因此式(5)可以进一步化简为：
[0063][0064]
因此，式(4)可以简化为：
[0065][0066]
对式(7)移项处理并取对数，可得到以下等式：
[0067][0068]
一般来说换气率ach可按下式计算：
[0069][0070]
对于式(8)的左边，c可以通过室内的颗粒物传感器实时测得，c0亦可得知。对于c
in∞
，c
out
可以通过室外的颗粒物传感器实时测得，qc为空气净化器的设定值。对于颗粒物渗透系数p，一般认为颗粒物穿透系数主要受换气率和门窗结构特点等因素的影响。文献的研究结果同样表明，换气率对p值影响不大。由此可见，当建筑结构固定时，p的值是相对确定的。通常颗粒物穿透系数的变化范围为0.7-1.0。因此，只有间隙风风量q会影响cin∞的求解，但值得确定的是，式(8)的左边求得的是一群离散点。
[0071]
观察式(8)的右边，这是一个正比例函数，斜率可求且为负。因此欲使式(8)成立，式(8)的左边散点的拟合斜率应等于右边，基于此可以设计换气率的求解算法，为减少计算冗余度，可采用误差检验的方法对直线的逼近程度进行判断。
[0072]
请参阅图8，具体算法设计如下：
[0073]
①
通过室内颗粒物传感器测量室内颗粒物浓度，记为c1；
[0074]
②
通过室外颗粒物传感器测量室外颗粒物浓度，记为c2；
[0075]
③
输入参数p，qc，v；
[0076]
④
令ach＝0.1；
[0077]
⑤
q＝ach
×
v；
[0078]
⑥
计算c
in∞
；
[0079]
⑦
计算离散点集ln((c
1-c
in∞
)/(c1(1)-c
in∞
))，记为{m}；
[0080]
⑧
对{m}随测试时间t进行线性拟合，得到直线y1；
[0081]
⑨
记直线y2＝-(qc/v)t；
[0082]
⑩
对y1和y2进行r-score检验：若r-score大于0.82，则输出此时的ach，结束计算，否则ach＝ach 0.02，并返回步骤
⑤
继续执行。
[0083]
请参阅图9，所述用户端软件分为显示区域和操作区域两个部分。
[0084]
为了验证装置的可靠性，在验证实验中，选取空气净化器的风量为106m3/h的低工况模式，实验测试时间持续为0.25h，在房间1的采样频率为1/30hz，房间2的采样频率为1/20hz,其余参数设置保持不变。如图10所示，房间1的室外颗粒物浓度在0.42mg/m3，室内在使用空气净化器之后，室内浓度急剧降低，0.25h内室内颗粒物浓度降至0.012mg/m3左右。类似的，房间2的测试结果呈现出相似的衰减规律，再使用空气净化器后，室内的颗粒物浓度在0.25h内同样降至0.012mg/m3左右。实验结果表明这两次实验总体上是稳定的。
[0085]
按照所述设计的换气率求解算法进行求解，解得结果如图11所示。对于房间1，当房间的换气率为0.34h-1
时，r-square拟合系数达到0.8221；对于房间2，当房间的换气率为0.16h-1
时，r-square拟合系数达到0.8227。
[0086]
为验证基于室内颗粒物衰减法算换气率模型的准确性，本文按照国标中推荐的co2衰减法对上述两个房间的换气率进行测量，以对原计算结果进行验证，实验中大气co2本
底浓度均为600ppm，基于co2衰减法计算换气率可按下式求解：
[0087][0088]
式中，为室内测试时co2的初始浓度，为室内测试结束时co2的浓度，为大气中co2的本底浓度。co2的衰减实验持续三十分钟，采用北京聚创公司生产的jc-bd型co2检测设备用于实验测试，两个房间的co2的衰减实验数据如表1和表2所示。
[0089]
表1 房间1的co2的衰减实验结果
[0090]
测试时间(min)051015202530浓度(ppm)1290126512511229121211871170
[0091]
表2 房间2的co2的衰减实验结果
[0092]
测试时间(min)051015202530浓度(ppm)1230122012111202119311861179
[0093]
根据式(10)，不难算得房间1的换气率为0.38h-1
，房间2的换气率为0.17h-1
，误差分析结果如表3所示。
[0094]
表3 房间1和2两种方法的换气率计算结果对比
[0095][0096]
从表3可以看出，本技术中的基于室内颗粒物衰减法和计算结果和基于co2衰减法的计算结果非常靠近，最大误差仅有10.5％，这表明在误差允许的范围内，这两种方法对于换气率的计算结果具有一致性。但是，需要注意的是，基于室内颗粒物衰减法的测试时长仅有0.25h，而基于co2衰减法的测试时长却要0.5h，这意味着本技术建立的计算模型可以实现室内换气率的快速测量，因而具有极大的时间成本优势。
[0097]
本发明所提供的一种室内换气率无线测量装置，其基于室内颗粒物衰减法来进行测量，从而克服了现有基于co2衰减法检测的诸多局限性，并且用户端部分由用户自由选择移动设备，只需通过网络访问树莓派服务器即可获取检测数据，同时，能够便携有效地检测室内换气率，大大节约了检测成本，具有良好的人机交互性；且本技术所提供的一种室内换气率无线测量装置可以实现室内换气率的快速测量，因而具有极大的时间成本优势。
[0098]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围。