人員負荷視覺動態估計的熱不均勻空間溫度分區補償控制方法*

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,西安;2.西安航天神州建筑設計院有限公司,西安)

0 引言

建筑能耗約占全球能耗的40%,而空調系統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,提高空調系統運行能效,是節能減排的重要環節。

由于公共建筑內人員流動性復雜、空氣熱慣性大,導致傳感器不能及時感知公共建筑內負荷的變化、系統響應滯后、人員熱不舒適。為了使室內人員負荷的變化與空調系統的調節相匹配,文獻[2-3]采用離線方式優化了溫度傳感器的設置位置,以最小化空調系統的送風量。但由于這種方法不能實時地將人員負荷的動態變化與傳感器位置相匹配,導致系統調控性能不佳。隨著計算機視覺技術的進步,研究者采用基于視覺的人員檢測方法捕獲室內的實時占用信息,并將人員負荷的實時變化用于空調系統的調控[4-5]。文獻[6-7]提出將基于視覺的人員檢測方法與熱舒適相結合,以優化恒溫器的溫度設定值。Meng等人開發了一種實時估計方法來檢測室內人員數量,并根據室內人員負荷計算空調系統的冷卻補償量,提前調整了空調的供冷量[8]。Choi等人開發了基于視覺的占用檢測方法,并將其用于空調系統設定溫度和室外新風量的控制中[9]。將室內占用信息反映到空調系統的控制中,可以提高室內人員的舒適度、系統的響應速度,降低系統的能耗,采用視覺的占用檢測方法能夠有效地感知室內人員信息及人員的空間分布。但由于室內不同區域的人員可能存在不同的在室時間、活動強度,因此,室內往往存在不均勻的溫度分布、較高的熱不滿意率。而傳統的空調系統控制方法通常是將調控區域視為具有均勻溫度分布的一個節點,對于熱不均勻空間,此種單區域控制模式將會導致室內熱環境過冷或過熱。

在熱舒適和能效方面,采用區域模型[10-11]的多區域控制模式優于單區域控制模式。在多區域控制模式下,室內空間被劃分為多個區域,可實現對每個分區的單獨調控[12],在提高室內人員舒適性的同時達到節能的效果。Shan等人通過采用離線方式設定3組區域溫度設定值策略確定了每個區域的最佳設定溫度,以達到均勻的室內溫度分布,但該方案并未考慮區域人員負荷的動態變化[13]。Zhou等人提出根據區域負荷變化動態調整區域溫度設定值的分區溫度控制方法,以緩解室內空間的過冷/過熱現象[12]。Zhou等人提出根據區域的負荷變化調控區域變風量箱的供風量,但該控制方法靠手動實現,并不能很好地應用到實際空調系統的控制中[14]。Wang等人提出根據區域的人員數量及熱舒適性來優化區域的送風量,但該策略的室內冷負荷是通過對所有分區的負荷進行線性相加來估計的,而在實際中,來自多個通風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,基于分區的空調控制策略能將人員負荷分布與區域的空調控制相匹配,但由于變風量空調系統具有大滯后性,室溫響應滯后于空調系統調節動作的變化,造成整個空間調節能力有限,調節不精準。

本文將基于視覺的人員檢測方法與多區域控制方式相結合以解決空調系統的大滯后問題,提出人員負荷視覺動態估計的熱不均勻空間溫度分區補償控制方法。首先,設計室內人員計數與定位模型,采用相機標定法和幾何校正法完成室內人員定位,明確人員的空間分布位置,采用基于卷積神經網絡的端到端人員計數模型實時檢測各區域的人員數量,計算區域負荷的實時變化。其次,設計分區采用主從補償控制策略,從控制模塊以主控制模塊輸出為輸入,在調節建筑空間總風量的基礎上采用開環控制調節各區域風量,改善室溫響應滯后情況;主控制模塊由多個區域溫度控制回路構成,根據人員負荷變化估計室內溫度變化趨勢,通過區域補償運算提高所需供冷量的預測能力。最后,對小型辦公建筑和大型活動中心建筑進行仿真實驗,討論了基于區域負荷動態估計的分區主從補償控制策略的有效性和可行性。

1 熱不均勻空間溫度分區調控方法

本文研究對象為變風量空調系統,熱不均勻空間溫度分區調控方法適用于空調末端,結構如圖1所示。將建筑空間劃分為M個(圖1中為9個)具有相同尺寸的區域,每個區域zi(i=1,2,…,M)各布置1個溫度控制器及溫度傳感器,除總風量控制器外,各子區域均設置1個區域風量控制器與風閥。

圖1 熱不均勻空間溫度分區補償調控系統圖

首先通過攝像頭采集室內圖像信息,通過相機標定與幾何校正,明確人員的空間位置分布,利用快速準確的人頭檢測模型FCHD[16]檢測各區域的人員數量,計算區域人員負荷的實時變化;然后根據各區域的實時負荷變化獲取系統總風量及各區域所需風量,并以此調控系統總風閥及各子區域風閥的開度,實現對區域溫度的調控。

1.1 人員負荷實時估計方法

人員負荷的實時估計是實現熱不均勻空間溫度分區調控的前提,基于計算機視覺和深度學習的方法可以有效實現室內人員數量的實時檢測。計算機視覺系統從攝像機捕獲的圖像中獲取室內人員的分布,為了明確空間中人員的幾何位置與其在攝像機圖像中的對應位置之間的相互關系,采用張正友標定法[17]實現對圖像像素坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉換,以確定空間中人員位置相對攝像機圖像的坐標,并通過幾何校正方法對圖像進行校正,實現空間坐標轉換,完成室內人員定位。FCHD是一種全卷積的端到端人頭檢測模型,將人頭檢測方法和人群計數方法相結合,具有較高的精度和較快的運行速度,很適合在嵌入式設備上運行。筆者所在課題組建立了基于FCHD人頭檢測的建筑人員負荷實時估計模型[18],準確實現了對室內人員負荷的實時估計,本文的區域人員負荷估計采用該模型來實現。

1.2 區域負荷動態估計的分區主從補償控制策略

變風量空調系統選用壓力無關型末端時,通常采用如圖2所示的串級控制結構,溫度控制器根據空間實測溫度與溫度設定值的偏差,通過PID運算得到空間所需總風量設定值Gs,風量控制器根據風量設定值與檢測值的偏差,通過PID運算調節風閥開度,使送風量與設定值相等。

圖2 壓力無關型末端串級控制原理圖

本文介紹的熱不均勻空間溫度分區補償控制方法利用標定和校正后的室內人員圖像信息和FCHD人員檢測模型獲取建筑空間實時人員總數量Nz、各區域zi(i=1,2,…,M)的人員數量Ni(i=1,2,…,M)及室內被占用區域數量L。分區主從補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 分區主從補償控制策略框圖

從控制模塊包括多個區域溫度控制環節,分別由常規溫度控制器、風量補償器構成。若區域zi被占用,則與變風量空調末端常規串級控制一致,區域溫度控制器采用PID法則計算區域zi所需初始風量G0i;根據所需初始風量G0i與視覺傳感手段獲得的區域人員負荷情況,風量補償器利用式(1)預測區域補償風量ΔGi,并通過式(2)、(3)確定各區域風量設定值Gi和建筑空間總風量設定值Gs。主控制模塊包括總風量控制器與多個區域風量控制器,總風量控制器的設置與常規串級控制中的風量控制器設置相同,根據總風量實測值和設定值Gs調節總風閥開度;區域風量控制器用于調節區域zi的風閥開度vi,控制策略如式(4)所示。此外,根據式(5)計算空間所需室外風量GOA。

(1)

Gi=G0i+ΔGi

(2)

(3)

(4)

(5)

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

可以看出,分區主從補償控制是根據區域的實時負荷變化,采用區域溫度控制器和區域風量補償模塊獲取區域的總風量,進而調節被占用區域風閥的開度,其新風量根據室內實時占用總人數及空間被占用總面積計算得到。該策略通過室內溫度的分區控制來緩解傳統空調系統造成的人員熱不適問題,并通過引入區域風量補償模塊改善空調系統的滯后性。

2 實驗設計

為了評估所提出的分區主從補償控制的性能,對分區主從控制方法和傳統控制方法進行比較。分區主從控制方法僅采用區域溫度控制器來獲取區域的總風量,其他設置與分區主從補償控制一致;傳統控制方法使用1個溫度控制器同步控制整個空間的溫度,采用室內平均溫度作為控制器的反饋信號,并對整個空間均勻制冷。由于傳統控制方法無法確定室內具體的人員占用信息,因此室外空氣的供給量根據設計在室人員總數及室內總面積計算得到。

采用聯合仿真方式實現上述控制策略,聯合仿真系統如圖4所示。使用CONTAM軟件創建建筑分區三維模型,采用TRNSYS創建空調分區控制系統,同時利用MATLAB實現區域風量補償,CONTAM、TRNSYS及MATLAB在每個模擬時間步內(設為36 s)進行數據交換。

圖4 聯合仿真系統圖

為驗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某小型辦公建筑和某大型活動中心建筑為原型的建筑仿真模型,如圖5所示,2棟建筑的參數如表1所示。

圖5 建筑仿真模型

表1 建筑參數

3 實驗結果分析

人員負荷動態變化主要體現在2個維度:室內人員所處空間位置的動態變化、區域人員數量的動態變化。因此,為全面分析算法的有效性,分別開展控制策略區域劃分實驗、人員負荷空間位置變化實驗及區域人員數量動態變化實驗。

3.1 區域劃分實驗與結果分析

為實現空調系統的分區調控,需要將室內空間劃分為多個區域。如果分區過細,將會增加計算量;如果分區過于粗糙,則無法識別熱環境特征。由于大空間建筑中的熱環境更為復雜,因此在大型活動中心建筑模型中采用了4種不同區域尺寸的網格劃分,如圖6所示。

圖6 大型活動中心建筑室內區域劃分

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

圖7 室外溫度變化

圖8 自然通風時4種區域尺寸劃分的室內溫度分布

3.2 人員負荷空間位置變化實驗與結果分析

3.2.1人員分布類型

小型辦公建筑區域尺寸采用4 m×4 m;大型活動中心建筑區域尺寸采用6 m×6 m。在實際環境中,人員流動隨機,室內人員可能呈現任何分布狀態。為模擬人員分布狀態,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為大型活動中心人員分布類型。圖9a中室內人員均勻分布;圖9b～g中室內人員分別按室內對角線、室內西區、室內中心、室內東南角、室內中西區或分散位置分布;圖9h、i中的室內人員分布位置與圖9g一致,區別在于圖9h中的人員數量低于設計在室人員總數量(120人),而圖9i的人員數量高于設計在室人員總數量(120人)。

圖9 小型辦公建筑和活動中心建筑的室內人員分布

3.2.2區域溫度定性分析

選擇西安市7月24日室外氣象條件,設置空調系統運行時間為08:00—18:00,分別對大型活動中心和小型辦公建筑的9種人員分布類型進行仿真實驗。

大型活動中心L4、L5及L8人員分布類型在14:30時的室內瞬時溫度分布分別如圖10～12所示。采用傳統控制策略對室內溫度進行調控時,室內占用區的溫度能達到26.56 ℃,該溫度會造成室內人員嚴重的不舒適。而分區主從控制策略和分區主從補償控制策略根據檢測到的實時占用情況,僅對室內占用區域進行溫度調節,使所有占用區域的溫度都得到充分調節,未占用區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域人員的舒適。

圖10 大型活動中心L4人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖11 大型活動中心L5人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖12 大型活動中心L8人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

小型辦公建筑S4、S5及S8人員分布類型在14:30 時的室內瞬時溫度分布分別如圖13～15所示。當在小空間采用傳統控制策略時,室內占用區過冷或過熱現象并不是很明顯,比較而言,采用分區主從控制和分區主從補償控制策略能為占用區人員提供更舒適的室內環境。

圖13 小型辦公建筑S4人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖14 小型辦公建筑S5人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

圖15 小型辦公建筑S8人員分布時3種控制策略的瞬時溫度分布

3.2.3區域溫度和風量定量分析

大型活動中心L6～L8人員分布類型部分被占用區域(區域1、6、15、20)的溫度和風量仿真結果分別如圖16、17所示。當室內人員不均勻分布時,無論室內人員總數量與設計在室人員總數量相同(L6)或是低于(L7)還是高于(L8)設計在室人員總數量,由于傳統控制策略對所有區域均勻送風,均會導致占用區的溫度高于設定溫度,尤其在L8人員分布類型時,占用區的溫度持續穩定在26.6 ℃,導致占用區人員的嚴重熱不適。而分區主從控制根據實際占用情況僅對被占用區提供準確的風量,能快速將被占用區的溫度調節到設定溫度,但仍避免不了系統滯后的影響。與分區主從控制策略相比,分區主從補償控制能夠預測人員負荷變化帶來的室溫變化,根據當前人員負荷變化迅速調整系統送風量,有效改善傳統控制存在的調節延遲,因此能比分區主從控制進一步提高系統的響應速度,使室溫快速調節至設定溫度,緩解系統滯后的影響。由于區域間熱傳遞的存在,在分區主從控制和分區主從補償控制中,即使占用區的人員數量相同,每個區域的送風量也是不同的。

圖16 大型活動中心L6～L8人員分布時部分被占用區域3種控制策略下的溫度

圖17 大型活動中心L6～L8人員分布時部分被占用區域3種控制策略下的風量

3.2.4總風量定量分析

大型活動中心L6～L8人員分布時3種控制策略下的總風量如圖18所示。在系統調節初始,傳統控制策略由于其系統所存在的滯后特性,并不能跟隨室內負荷變化而迅速調整送風量,而分區主從控制和分區主從補償控制根據區域實時占用負荷對被占用區提供所需的風量。同時,與分區主從控制相比,分區主從補償控制能夠根據當前負荷變化提供區域風量補償,提高了系統的響應速度。分區主從控制和分區主從補償控制由于僅對被占用區送風,避免未占用區域的調節而減少了系統的送風量,達到了節能的效果。圖19顯示了小型辦公建筑S6～S8人員分布時3種控制策略下的總風量變化,可以看出所提出的分區主從補償控制在小型建筑空間中仍具有明顯的響應優勢。

圖18 大型活動中心L6～L8人員分布時3種控制策略下的總風量

圖19 小型辦公建筑S6～S8人員分布時3種控制策略下的總風量

3.2.5能耗分析

大型活動中心和小型辦公建筑9種人員分布時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,與傳統控制策略相比,由于分區主從控制和分區主從補償控制提供精準的區域溫度控制,會消耗更多的能源。但在人員不均勻分布時,無論室內人員實際占用情況如何,傳統控制始終對整個空間制冷,消耗了更多的能源,分區主從控制和分區主從補償控制根據實時人員負荷提供室外空氣,并根據人員在空間中的實際分布僅對被占用區進行溫度調控,均能達到節能效果,與傳統控制策略相比,最多節省8.5%的能源。在小型辦公建筑這類小空間建筑中,雖然節能效果沒有大空間建筑明顯,但也具有微弱的節能潛力。分區主從補償控制的節能效果與分區主從控制的節能效果基本一致,但與分區主從控制相比,分區主從補償控制系統的性能主要體現在系統的響應速度及對室內熱環境變化和負荷變化的快速調節上。

圖20 大型活動中心建筑和小型辦公建筑9種人員分布時3種控制策略下的能耗

3.3 區域人員數量動態變化實驗與結果分析

為了驗證本文所提出的控制策略對區域人員數量動態變化調控的有效性,選擇大型活動中心建筑L3人員分布進行占用區域人員負荷動態變化的仿真與分析。根據設計占用密度,每個區域的最大人數為6人,室內總人數和占用區域人數變化如圖21所示。

圖21 大型活動中心L3人員分布區域人員數量動態變化

大型活動中心L3人員分布區域人員數量動態變化的溫度和風量仿真結果如圖22所示。圖22a～f表明:在室內人員數量較少及室外溫度不高的08:00—09:00 時間段內,由于傳統控制策略根據設計占用人數及空間面積供應新風量,并對整個空間均勻送風,造成室內溫度過低;當區域人員負荷增大時,傳統策略由于送風量難以跟隨負荷變化,導致區域溫度持續高于設定溫度;當區域人員負荷減少時,送風量大于區域所需風量,導致區域溫度過低;當室內無人時,傳統控制策略仍提供風量,造成能源浪費。

圖22 區域人員數量動態變化(大型活動中心L3人員分布)時的仿真結果

分區主從控制策略和分區主從補償控制策略根據區域人員負荷的動態變化提供區域風量以調控區域溫度到設定溫度;同時分區主從補償控制策略根據區域人員負荷的變化提供區域風量補償值,人員增多時,與分區主從控制策略相比,能更快地調節區域溫度到設定溫度;人員減少時,與分區主從控制策略相比,分區主從補償控制策略的區域送風量減少,其區域溫度稍高于分區主從策略的區域溫度,但不會對區域溫度造成過大的波動;區域10和區域11在08:00—17:00時間段內一直被占用,在12:00—13:00時間段受到區域熱耦合效應,區域10和區域11提高送風量以維持區域溫度,在13:00時,當其他區域由于人員負荷增大開始送風時,區域10和區域11的送風量逐漸減少。

圖22g的溫度仿真結果表明,雖然分區主從控制策略和分區主從補償控制策略的室內平均溫度高于傳統控制策略的室內平均溫度,但占用區的平均溫度基本均調控在設定溫度值內,與傳統控制策略相比,能給占用區人員提供更舒適的區域環境。圖22g的總風量仿真結果表明,所提出的控制策略能避免能源的浪費。

4 結束語

本文提出了一種人員負荷視覺動態估計的熱不均勻空間溫度分區補償控制方法,以提高公共建筑室內人員的舒適性,改善空調系統調節的滯后性,并降低建筑能耗。該方法通過將室內空間劃分為適當的多個區域,利用攝像機采集室內空間圖像信息,然后通過設計人員計數與定位模型,實現對區域及室內負荷的實時估計。提出了一種分區主從補償控制策略,采用區域溫度控制器和區域風量補償器獲取區域的總風量,調節被占用區域風閥的開度,通過室內溫度的分區調控緩解了傳統空調系統造成的人員熱不舒適問題,并通過引入區域風量補償模塊,提高了系統的響應速度。設計了9種室內人員分布類型和區域人員數量動態變化實驗,并建立了2個建筑模型來驗證所提出的分區主從補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現了8.5%的節能效果,改善了系統響應的滯后性。