李翠环

（兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

日常生活中，人们的大部分时间是在室内，如果室内通风效果较差，会直接影响室内的空气质量，间接影响人们的身体健康[1]。随着人们生活水平的不断提升，对生活品质的要求也越来越高，对身体健康的关注度也越来越高[2]。地暖是常用的室内取暖方式，但地暖会加快室内污染物的释放速度，降低室内空气质量；并且冬季室内密闭性较好，导致污染物无法快速排出室内，进而影响人们的身体健康[3]。在建筑内安装新风系统，可在室内引入新风，及时排除室内的污染物，实现室内的通风换气，提升室内的空气质量。在建筑内安装地暖与新风系统，既可以保证室内具有较高的温度，还可以确保室内空气质量不受影响，及时排除污染物[4]。但地暖与新风系统的主要作用是调节温度，改善空气质量，提升室内环境的舒适性，但其能耗较高，无法根据室内人员的分布情况，动态控制地暖与新风系统。物联网具备较高的外界信息感知精度，能够最大限度了解建筑的能耗情况，并按照建筑能耗特点，控制地暖+新风系统，节约能源[5-6]。为此，本文研究基于物联网的地暖+新风系统节能控制方法，以达到节约能源的目的。

1 地暖+新风系统节能控制

为实现对地暖+新风系统的节能控制，依据物联网的技术架构，设计地暖+新风系统节能控制方法，技术架构如图1 所示。

感知层内包含温度传感器与红外探测器，利用温度传感器采集室内空气的温度值；通过红外探测器感知室内的人流量情况。感知层的主要功能是采集室内的环境信息，为节能控制器制定控制决策提供数据支持[7]。

控制层中的节能控制器根据感知层采集的室内温度信息以及人流量情况，以热舒适指标为控制目标，制定节能控制策略，实现对地暖+新风系统的自动节能控制功能，节能控制内容为地暖+新风系统的启停、温度升降与风速大小等。

网络层属于应用层与控制层间的桥梁，通过TCP 协议将控制层的控制策略传输至应用层。网络层中包含2 种通信方式，分别是通信接口的有线传输方式[8]和WSN 的无线传输方式。结合2 种传输方式各自的优点，提升信息传输效果[9]。

应用层中地暖+新风系统节能管理中心，接收经由网络层传输的地暖+新风系统控制策略后，可实时呈现地暖+新风系统的节能控制效果，便于用户随时远程操控地暖+新风系统设备。

1.1 地暖+新风系统的热舒适指标

控制层中节能控制器利用预测平均投票模型（Predicted Mean Vote, PMV），衡量人体净热量和室内环境热平衡的关系，即热舒适指标。PMV 的影响因素包含温度、风速与人体活动量等[10]。将PMV 作为地暖+新风系统节能控制目标，既能降低地暖+新风系统能耗，还能确保室内温度与风速维持在舒适范围内。PMV 的计算公式如下：

式中：L为人体新陈代谢量；Pa为水蒸气分压；W为外界对人体影响的能量；ta为室内温度；kc1为衣物面料系数；tc1为衣服表面温度；tr为辐射温度；hc为人体与室内控制的对流热损失系数。其中L与W由感知层的红外探测器采集得到；ta与tr由感知层的温度传感器采集得到。

1.2 地暖+新风系统节能控制策略

控制层中节能控制器以PMV 与PPD 为控制目标，制定地暖+新风系统节能控制策略，具体步骤如下：

步骤1：令通过饱和人数的10%为Z；感知层的红外探测器感知室内人员分布情况，设置人员模式。在人员数量N小于Z时，人员模式设置成A，不采用节能控制策略；在N大于Z时，人员模式设置成B，采用节能控制策略。

步骤2：按照人员模式选择地暖+新风系统的运行模式，在人员模式是A 的情况下，运行模式是完全依赖地暖+新风系统自身实施温度与风速控制；在人员模式是B 的情况下，按照感知层感知的室内温度，进一步确定地暖+新风系统的运行模式。

步骤3：在-11或PMV<-1的情况下，按照设定温度与风速，调节地暖+新风系统；在PMV>1 的情况下，选择降温降速模式的节能控制程序；在PMV<-1 的情况下，选择升温升速模式的节能控制程序。

步骤4：如果节能控制器接收到来自应用层的控制指令，则优先执行该指令；如果未接收控制指令，则循环节点控制器的节能控制策略。

2 实验分析

以某三室住宅为实验对象，该住宅位于寒冷地区，采暖方式为地暖系统，同时该住宅建筑中具有新风系统，新风系统的送风口4 个，排风口4 个。将该住宅的室内温度设定为20 ℃，风口风速设定在0.5 ～0.2 m/s 之间，以确保人体舒适度较优，且室内污染物排出效果较优。利用本文方法对该住宅的地暖+新风系统进行节能控制，验证本文方法的节能控制效果。

室内初始温度是5 ℃，利用本文方法对该地暖+新风系统进行节能控制，连续控制3 天，将室内温度控制在20 ℃左右。温度控制结果如图2 所示。

图2 温度控制结果

由图2 可知，本文方法可有效节能控制地暖+新风系统，确保室内温度始终维持在20 ℃左右，且在连续控制的3 天测试期间，均在3 s 左右将室内温度控制在指定温度附近。经过本文方法控制后，该住宅室内温度的波动幅度较小，可确保室内温度始终维持在较为舒适的范围内。实验证明，本文方法可快速节能控制地暖+新风系统，令室内温度迅速达到指定温度附近。

利用本文方法对该地暖+新风系统的风速进行节能控制，风速控制结果如图3 所示，共分析3 个位置的风速，分别是人体脚部位置、人体静坐高度、人体站立高度。

图3 不同位置处的风速控制结果

由图3 可知，人体脚部位置处，风速略高于其余2 个位置，最大风速在0.4 m/s 左右，未超过0.5 m/s，说明该位置的风速不会影响室内人员的舒适度；人体静坐高度处，最大风速在0.25 m/s 左右，未低于0.2 m/s，说明该位置的风速不会影响室内污染物的排出；人体站立高度处，最大风速在0.23 m/s左右，与人体静坐高度处的风速相差较小，未低于0.2 m/s，说明该位置的风速也不会影响室内污染物的排出。综合分析可知，本文方法可有效控制地暖+新风系统的风速，既不影响人体的舒适度，又利于室内污染物排出，具备较优的节能控制效果。

分析经过本文方法节能控制前后该地暖+新风系统的能耗变化情况，结果如图4 所示。

图4 采用本文方法节能控制前后能耗变化情况

由图4 可知，经过本文方法节能控制后，不同时间段的地暖+新风系统的能耗，均显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。实验证明，应用本文方法可有效降低地暖+新风系统的能耗，达到节约能源的目的。

3 结 语

地暖是寒冷地区的主要采暖方式，在建筑中安装新风系统可有效解决因地暖导致的室内空气质量差的问题。随着地暖+新风系统的不断普及，建筑物能耗不断提升。为此，本文研究了基于物联网的地暖+新风系统节能控制方法，达到了降低地暖+新风系统能耗的目的。