一种利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法

摘要

本发明公开了一种利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，该方法在房间内安装空调器，在房间的外窗上设置电动机，由电动机带动外窗的开启与关闭；在房间内布置有温度传感器、CO2浓度检测传感器，在房间外布置室外温度、降雨量检测传感器；温度传感器、CO2浓度检测传感器和降雨量检测传感器分别与数字量采集模块连接，空调器、数字量采集模块和电动机分别与数字量控制模块连接；在达到建筑空间环境控制效果的同时，降低环境控制的能耗，体现低碳经济理念；将自动化技术与环境控制相结合，为建筑空间热舒适的精确控制提供了保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑空间环境控制，特别涉及一种利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，该方法适用于办公类、住宅、地铁、特殊环境等各类建筑空间的环境控制。

背景技术

传统空调技术在保证室内空气环境和工艺环境的同时，也消耗了大量高品位能源，并且造成了室内空气品质差等病态建筑综合症的严重问题。与此相比，传统通风技术耗能少，但环境控制精度差，较难达到舒适性要求。如何在满足、达到室内空气环境控制效果的同时，降低环境控制的能耗、合理利用可再生能源已经成为暖通空调节能减排技术领域广泛关注的重点问题。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，通过窗户自动启闭，有序、梯级引入室外自然通风，在达到环境控制精度的同时，实现供给不同品位的梯级能量，进而实现通风/空调系统的高能效、低碳排放。通过窗户自动启闭，建立新型梯级能量利用模式，自动控制不同品位能量的利用顺序与利用方式，实现各类建筑空间的环境控制要求，实现可再生能源的高效利用。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案予以实现：

一种利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）在房间内安装空调器，在房间的外窗上设置电动机，电动机通过杠杆与外窗相连接，由电动机带动外窗的开启与关闭；

2）在房间内布置有温度传感器、CO₂浓度检测传感器，在房间外布置室外温度、降雨量检测传感器；温度传感器、CO₂浓度检测传感器和降雨量检测传感器分别与数字量采集模块连接，空调器、数字量采集模块和电动机分别与数字量控制模块连接；

3）在数字量控制模块中设定以下参数：

室内温度的舒适性范围：对于夏季取23℃-29℃，冬季取16℃-20℃；

室内CO₂浓度：取1000ppm为浓度允许上限；

室外降雨密集度：1ml/h；

不同建筑空间环境，不同室外气象参数，不同年龄段等条件下人群对室内舒适性参数的要求并不相同，本次提出的环境控制方法引入人性化控制理念，人员可根据自身情况于数字量控制模块中手动输入适合绝大多数人员的舒适性参数范围（设定参见ASHRAE55、ISO7730及相关文献资料），然后通过控制系统集中分析后初始化系统；

4）数字量控制模块将温度传感器、CO₂浓度传感器和降雨量传感器测量的参数与设定的参数相比较，根据比较结果控制空调器的开启和关闭，或由电动机控制外窗的开启和关闭。

本发明的利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，在达到建筑空间环境控制效果的同时，降低环境控制的能耗，体现低碳经济理念；将自动化技术与环境控制相结合，为建筑空间热舒适的精确控制提供了保障，提升了人员生活品质，为办公类、住宅、地铁、特殊环境等各类建筑空间能量的有效利用开辟了一条新路。

附图说明

图1是本发明的硬件布置示意图；

图2是采用本发明的方法的温度控制框图；

图3是采用本发明的方法的温度和CO₂浓度控制框图；

图2和图3中，T表示温度，C表示CO₂浓度，下标i表示室内，o表示室外，min表示下限，max表示上限；||、&&为逻辑运算符或和与。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的利用窗户自动启闭实现能量梯级利用的环境控制方法，在房间内安装空调器1，在房间的外窗13的外墙12上方设置电动机10，电动机10通过杠杆11与外窗13相连接，由电动机10带动外窗13的开启与关闭。

在房间内布置温度传感器4和6，CO₂浓度传感器5和7，在房间外布置室外温度传感器8，降雨量检测传感器9；室内温度传感器4和6，CO₂浓度传感器5和7，室外温度传感器8和降雨量检测传感器9分别与数字量采集模块2连接，将空调器1、数字量采集模块2和电动机10分别与数字量控制模块3相连。

需要说明的是，上述CO₂浓度传感器5和7在下述实施例1中为温度传感器，在下述实施例2中为CO₂浓度传感器。

数字量控制模块3采用常规的单片机，在数字量控制模块3内设定以下参数：

室内温度的舒适性范围：夏季取23℃-29℃，冬季取16℃-20℃；

室内CO₂浓度：取1000ppm为浓度允许上限；

室外降雨密集度：1ml/h；

数字量控制模块3将温度传感器4和6、CO₂浓度检测传感器5和7、室外温度传感器8和降雨量检测传感器9测量的参数与设定的参数相比较，根据比较结果控制空调器1的开启和关闭，或控制电动机10带动杠杆11实现外窗13的开启和关闭。

改变数字量控制模块3中的参数，编制对应环境控制程序，可以针对单参数（温度）和双参数（温度、CO₂浓度）环境进行控制与实现。

以下通过具体实施例对单参数和双参数环境进行控制，分别将其中控制参数测量值与设定值相比较，即能够决定能量的具体利用形式与方法。

实施例1：单参数控制（温度控制，主要适用于普通办公室、水电站主厂房等以温度为主要目标的建筑空间环境控制）

单参数控制实施例1选取室内温度（包含可接受温度Tn，Tn=22.2+0.003(t_out)²，t_out为室外月平均空气温度）为控制对象，将室内外环境温度探测值与设定值比较，通过室内外温度探测值与设定值的差值大小决定能量的利用形式与方法。

本实施例同时通过控制信号修正的方法考虑了室外降雨密集度（1ml/h）的影响，以防止室内出现过热/过冷现象。实施例1对应的自动化控制策略如图2所示。

具体控制方法是：

1）判断是否在工作时间，如果不在工作时间则停止空调工作，关闭窗户；

2）如果在工作时间，判断室内温度是否小于舒适性温度上限且大于舒适性温度下限，在舒适性范围内，如果室内温度在舒适度范围内，进一步判断室外温度亦在舒适度范围内，则窗户处于最大开启度，满足室内人员卫生需求，当室内温度逐渐接近Tn时，外窗的开启度由高档变为低档，维持室内温度在Tn附近；当室内温度在舒适度范围内，但室外温度不在舒适度范围内，则关闭窗户，维持现有设置；

如果室内温度不在舒适度范围内，室内温度大于舒适性温度上限，进一步判断室外温度是否小于舒适性温度上限，如果室外温度小于舒适性温度上限，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内温度逐渐接近Tn时，窗户开启度由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度大于舒适性温度上限，且室外温度大于舒适性温度上限，但室外温度小于室内温度，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内空气温度接近室外空气温度，且波动量不大时，则关闭窗户，空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度下限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度大于舒适性温度上限，且室外温度大于室内温度，则关闭窗户，直接开启空调并处于最大开启度，送入等于舒适性温度下限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；

如果室内温度不在舒适度范围内，室内温度小于舒适性温度下限，进一步判断室外温度是否大于舒适性温度下限，如果室外温度大于舒适性温度下限，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内温度逐渐接近Tn时，窗户开启度由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度小于舒适性温度下限，且室外温度小于舒适性温度下限，但室外温度大于室内温度，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内空气温度接近室外空气温度，且波动量不大时，则关闭窗户，空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度上限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度低于舒适性温度下限，且室外温度低于室内温度，则直接开启空调并处于最大开启度，送入等于舒适性温度上限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近（如有可利用废热，可进行废热回收供暖）。

引入室外空气的步骤是：

A、打开并调节窗户进风，以维持室内温度在舒适度范围；

B、调节风速在限定范围内，风向合适；

C、检测是否有雨，如果有雨，则修正控制信号，减小外窗的开启量（必要时开启防雨挡板，如果没有设置防雨挡板则关闭外窗开启空调）；如果无雨，则修正控制信号，外窗全部打开，当室内温度逐渐接近Tn时，外窗的开启度由高档变为低档。

实施例2：双参数控制（温度和CO₂浓度控制，主要适用于吸烟间、厨房等以温度和室内空气质量为主要目标的建筑空间环境控制）

本实施例选取室内温度（包含可接受温度Tn，Tn=22.2+0.003(t_out)²，与实施例1相同）和反映室内空气质量的CO₂浓度（取1000ppm为浓度允许上限）为控制对象，将两参数的测量值与设定值比较，以决定能量的具体利用形式与方法，两个参数按照室内温度—室内CO₂浓度的顺序进行逐级控制。实施例2同样通过控制信号修正的方法考虑了室外降雨密集度（1ml/h）的影响，这一修正控制信号可用来调节能量利用方式，以防止室内出现过热/过冷现象和室内CO₂浓度超标现象。实施例2对应的自动化控制策略如图3所示。

具体控制方法是：

1）判断是否在工作时间，如果不在工作时间则停止空调工作，关闭窗户；

2）如果在工作时间，判断室内温度是否小于舒适性温度上限且大于舒适性温度下限，在舒适性范围内，如果室内温度在舒适度范围内，进一步检验室外温度亦在舒适度范围内，则窗户处于最大开启度，满足室内人员卫生需求，当室内温度逐渐接近Tn时，外窗的开启度由高档变为低档，维持室内温度在Tn附近；当室内温度在舒适度范围内，但室外温度不在舒适度范围内，再进一步判断室内CO₂浓度是否小于浓度允许上限，如果CO₂浓度小于浓度允许上限，则关闭窗户，维持现有设置，如果室内CO₂浓度大于浓度允许上限，则关闭窗户，开启空调送入舒适性温度范围内空气的同时，并进行换气，维持室内温度在舒适性温度范围内；

如果室内温度不在舒适度范围内，室内温度大于舒适性温度上限，进一步判断室外温度是否小于舒适性温度上限，如果室外温度小于舒适性温度上限，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内温度逐渐接近Tn时，窗户开启度由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度大于舒适性温度上限，且室外温度大于舒适性温度上限，但室外温度小于室内温度，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内空气温度接近室外空气温度，且波动量不大时，则关闭窗户，再进一步判断室内CO₂浓度是否小于浓度允许上限，如果CO₂浓度小于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，仅送入等于舒适性温度下限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近，如果室内CO₂浓度大于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度下限空气的同时，并进行换气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度大于舒适性温度上限，且室外温度大于室内温度，再进一步判断室内CO₂浓度是否小于浓度允许上限，如果CO₂浓度小于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，仅送入等于舒适性温度下限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度大于舒适性温度上限，且室外温度大于室内温度，再进一步判断室内CO₂浓度大于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度下限空气的同时，并进行换气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；

如果室内温度不在舒适度范围内，室内温度小于舒适性温度下限，进一步判断室外温度是否大于舒适性温度下限，如果室外温度大于舒适性温度下限，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内温度逐渐接近Tn时，窗户开启度由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度小于舒适性温度下限，且室外温度小于舒适性温度下限，但室外温度大于室内温度，则窗户处于最大开启度，引入室外空气，当室内空气温度接近室外空气温度，且波动量不大时，则关闭窗户，再进一步判断室内CO₂浓度是否小于浓度允许上限，如果CO₂浓度小于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，仅送入等于舒适性温度上限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近，如果室内CO₂浓度大于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度上限空气的同时，并进行换气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度小于舒适性温度下限，且室外温度小于室内温度，再进一步判断室内CO₂浓度是否小于浓度允许上限，如果CO₂浓度小于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，仅送入等于舒适性温度上限的空气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近；如果室内温度小于舒适性温度下限，且室外温度小于室内温度，再进一步判断室内CO₂浓度大于浓度允许上限，则空调处于最大开启度，送入等于舒适性温度上限空气的同时，并进行换气，当室内温度逐渐接近Tn时，空调开始由高档变低档，维持室内温度在Tn附近（如有可利用废热，可进行废热回收供暖）。

引入室外空气的步骤是：

A、打开并调节窗户进风，以维持室内温度在舒适度范围，保证CO₂浓度小于浓度允许上限；

B、调节风速在限定范围内，风向合适；

C、检测是否有雨，如果有雨，则修正控制信号，减小外窗的开启量（必要时开启防雨挡板，如果没有设置防雨挡板则关闭外窗开启空调）；如果无雨，则修正控制信号，外窗全部打开，当室内温度逐渐接近Tn时，外窗的开启度由高档变为低档。