基于物聯網的地暖+新風系統節能控制

李翠環

（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

日常生活中，人們的大部分時間是在室內，如果室內通風效果較差，會直接影響室內的空氣質量，間接影響人們的身體健康[1]。隨著人們生活水平的不斷提升，對生活品質的要求也越來越高，對身體健康的關注度也越來越高[2]。地暖是常用的室內取暖方式，但地暖會加快室內污染物的釋放速度，降低室內空氣質量；并且冬季室內密閉性較好，導致污染物無法快速排出室內，進而影響人們的身體健康[3]。在建筑內安裝新風系統，可在室內引入新風，及時排除室內的污染物，實現室內的通風換氣，提升室內的空氣質量。在建筑內安裝地暖與新風系統，既可以保證室內具有較高的溫度，還可以確保室內空氣質量不受影響，及時排除污染物[4]。但地暖與新風系統的主要作用是調節溫度，改善空氣質量，提升室內環境的舒適性，但其能耗較高，無法根據室內人員的分布情況，動態控制地暖與新風系統。物聯網具備較高的外界信息感知精度，能夠最大限度了解建筑的能耗情況，并按照建筑能耗特點，控制地暖+新風系統，節約能源[5-6]。為此，本文研究基于物聯網的地暖+新風系統節能控制方法，以達到節約能源的目的。

1 地暖+新風系統節能控制

為實現對地暖+新風系統的節能控制，依據物聯網的技術架構，設計地暖+新風系統節能控制方法，技術架構如圖1 所示。

感知層內包含溫度傳感器與紅外探測器，利用溫度傳感器采集室內空氣的溫度值；通過紅外探測器感知室內的人流量情況。感知層的主要功能是采集室內的環境信息，為節能控制器制定控制決策提供數據支持[7]。

控制層中的節能控制器根據感知層采集的室內溫度信息以及人流量情況，以熱舒適指標為控制目標，制定節能控制策略，實現對地暖+新風系統的自動節能控制功能，節能控制內容為地暖+新風系統的啟停、溫度升降與風速大小等。

網絡層屬于應用層與控制層間的橋梁，通過TCP 協議將控制層的控制策略傳輸至應用層。網絡層中包含2 種通信方式，分別是通信接口的有線傳輸方式[8]和WSN 的無線傳輸方式。結合2 種傳輸方式各自的優點，提升信息傳輸效果[9]。

應用層中地暖+新風系統節能管理中心，接收經由網絡層傳輸的地暖+新風系統控制策略后，可實時呈現地暖+新風系統的節能控制效果，便于用戶隨時遠程操控地暖+新風系統設備。

1.1 地暖+新風系統的熱舒適指標

控制層中節能控制器利用預測平均投票模型（Predicted Mean Vote, PMV），衡量人體凈熱量和室內環境熱平衡的關系，即熱舒適指標。PMV 的影響因素包含溫度、風速與人體活動量等[10]。將PMV 作為地暖+新風系統節能控制目標，既能降低地暖+新風系統能耗，還能確保室內溫度與風速維持在舒適范圍內。PMV 的計算公式如下：

式中：L為人體新陳代謝量；Pa為水蒸氣分壓；W為外界對人體影響的能量；ta為室內溫度；kc1為衣物面料系數；tc1為衣服表面溫度；tr為輻射溫度；hc為人體與室內控制的對流熱損失系數。其中L與W由感知層的紅外探測器采集得到；ta與tr由感知層的溫度傳感器采集得到。

1.2 地暖+新風系統節能控制策略

控制層中節能控制器以PMV 與PPD 為控制目標，制定地暖+新風系統節能控制策略，具體步驟如下：

步驟1：令通過飽和人數的10%為Z；感知層的紅外探測器感知室內人員分布情況，設置人員模式。在人員數量N小于Z時，人員模式設置成A，不采用節能控制策略；在N大于Z時，人員模式設置成B，采用節能控制策略。

步驟2：按照人員模式選擇地暖+新風系統的運行模式，在人員模式是A 的情況下，運行模式是完全依賴地暖+新風系統自身實施溫度與風速控制；在人員模式是B 的情況下，按照感知層感知的室內溫度，進一步確定地暖+新風系統的運行模式。

步驟3：在-11或PMV<-1的情況下，按照設定溫度與風速，調節地暖+新風系統；在PMV>1 的情況下，選擇降溫降速模式的節能控制程序；在PMV<-1 的情況下，選擇升溫升速模式的節能控制程序。

步驟4：如果節能控制器接收到來自應用層的控制指令，則優先執行該指令；如果未接收控制指令，則循環節點控制器的節能控制策略。

2 實驗分析

以某三室住宅為實驗對象，該住宅位于寒冷地區，采暖方式為地暖系統，同時該住宅建筑中具有新風系統，新風系統的送風口4 個，排風口4 個。將該住宅的室內溫度設定為20 ℃，風口風速設定在0.5 ～0.2 m/s 之間，以確保人體舒適度較優，且室內污染物排出效果較優。利用本文方法對該住宅的地暖+新風系統進行節能控制，驗證本文方法的節能控制效果。

室內初始溫度是5 ℃，利用本文方法對該地暖+新風系統進行節能控制，連續控制3 天，將室內溫度控制在20 ℃左右。溫度控制結果如圖2 所示。

圖2 溫度控制結果

由圖2 可知，本文方法可有效節能控制地暖+新風系統，確保室內溫度始終維持在20 ℃左右，且在連續控制的3 天測試期間，均在3 s 左右將室內溫度控制在指定溫度附近。經過本文方法控制后，該住宅室內溫度的波動幅度較小，可確保室內溫度始終維持在較為舒適的范圍內。實驗證明，本文方法可快速節能控制地暖+新風系統，令室內溫度迅速達到指定溫度附近。

利用本文方法對該地暖+新風系統的風速進行節能控制，風速控制結果如圖3 所示，共分析3 個位置的風速，分別是人體腳部位置、人體靜坐高度、人體站立高度。

圖3 不同位置處的風速控制結果

由圖3 可知，人體腳部位置處，風速略高于其余2 個位置，最大風速在0.4 m/s 左右，未超過0.5 m/s，說明該位置的風速不會影響室內人員的舒適度；人體靜坐高度處，最大風速在0.25 m/s 左右，未低于0.2 m/s，說明該位置的風速不會影響室內污染物的排出；人體站立高度處，最大風速在0.23 m/s左右，與人體靜坐高度處的風速相差較小，未低于0.2 m/s，說明該位置的風速也不會影響室內污染物的排出。綜合分析可知，本文方法可有效控制地暖+新風系統的風速，既不影響人體的舒適度，又利于室內污染物排出，具備較優的節能控制效果。

分析經過本文方法節能控制前后該地暖+新風系統的能耗變化情況，結果如圖4 所示。

圖4 采用本文方法節能控制前后能耗變化情況

由圖4 可知，經過本文方法節能控制后，不同時間段的地暖+新風系統的能耗，均顯著低于本文方法控制前，控制前的最高能耗在190 kW 左右，控制后的最高能耗在140 kW左右。實驗證明，應用本文方法可有效降低地暖+新風系統的能耗，達到節約能源的目的。

3 結 語

地暖是寒冷地區的主要采暖方式，在建筑中安裝新風系統可有效解決因地暖導致的室內空氣質量差的問題。隨著地暖+新風系統的不斷普及，建筑物能耗不斷提升。為此，本文研究了基于物聯網的地暖+新風系統節能控制方法，達到了降低地暖+新風系統能耗的目的。