暖通空调变风量制热能耗精准监控方法研究_郭燕飞.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：（，）：，：；：暖通空调变风量制热能耗精准监控方法研究郭燕飞（山西经贸职业学院建筑工程系，山西 太原）摘 要：在建筑行业中，暖通空调的能耗占比很大，特别对于公共建筑与大型建筑，由于暖通空调应用率很大，同时建筑面积较大，因此能耗惊人。为更好地实现暖通空调的运行优化控制，设计暖通空调变风量制热能耗精准监控平台。该平台由传感器模块、控制器模块、异常数据处理模块构成。在传感器模块中，设计三种传感器，分别为压力传感器、温度传感器、气体流量传感器，利用三种传感器收集数据信息。在控制器模块中，设计的控制器由电源电路、预驱电路、最小系统应用电路等构成，以此实现平台监控，综合传感器数据获取监控结果。异常数据处理模块负责对监控数据中的异常能耗数据实施识别与清洗。平台性能测试结果表明，在每天 的测试中，设计平台制热能耗监控数据的平均绝对误差值低于 ，最大绝对误差值约为 ，平均相对误差值低于，最大相对误差值为，整体监控误差很小。关键词：暖通空调；变风量制热；气体流量传感器；能耗精准监控；控制器中图分类号：文献标识码：文章编号：（）能源危机已经成为当今世界上最流行的一个话题，人类文明的飞速发展使能源需求量日益增长，然而很多人类生存所必须的资源却面临着可能消耗殆尽的危机，人们必须采取有效的措施。我国作为人口大国与驱动未来全球能源需求的新兴经济体，很有必要做出一定表率，采取一些措施。目前我国对能源的需求量仍在不断上升。建筑业作为我国重要的经济产业，其能耗在社会总能耗中占比越来越大，已经超越大部分行业。由于第三产业的发展，在新建建筑中，各种公共建筑占据了很大比例，其中很多都采用暖通空调进行制热、通风等。而暖通空调的制热能耗在这种建筑的总能耗中往往会占据半数以上，单位面积能耗量很大，远高于普通住宅的单位面积能耗。可以说，该类建筑的节能潜力极大，通过自动控制系统与管理系统的引入，再加上能耗监控系统，可实现该类建筑的大幅节能，因此对暖通空调变风量制热能耗监控问题进行研究具有极大的意义，可推动节能减排工作的执行与落实。第 期郭燕飞：暖通空调变风量制热能耗精准监控方法研究 在人类近代的发展中，能耗问题一直困扰着人们，因此大部分的国家对于能耗监控问题的研究较早，其中空调的能耗监测一直是一个重点研究对象。文献中多名学者提出了制药厂房空调机组耗热量的监测及分析方法，并从数据采集、测点设置、仪器、测试原理四个方面进行了详细介绍。文献中多名学者提出了小型办公建筑冬季空调采暖的能耗监测及分析方法，获取了单位面积的冬季空调电耗值。以上方法的监控结果不够精准，因此设计一种暖通空调变风量制热能耗精准监控方法。暖通空调变风量制热能耗精准监控 传感器模块设计设计暖通空调变风量制热能耗精准监控平台，该平台主要由传感器模块、异常数据处理模块、控制器模块构成，能够实现精准的变风量制热能耗监控。首先设计其传感器模块。在该模块设计中，共设置三种传感器。其中压力传感器的设计具体如下：设计一种电容式 压力传感器，其芯片由上电极、下电极、超薄极板、绝对压力空腔以及绝缘层构成。其中下电极选用 型硅。在硅片上依次淀积结构层与牺牲层，并使用湿法腐蚀工艺腐蚀掉牺牲层，形成绝对压力空腔，最后利用淀积的方式实施空腔的密封处理，形成极薄压敏极板。在结构层的淀积中，使用氮化硅作为制备材料，在牺牲层的淀积中，使用二氧化硅作为制备材料，所制备的压敏极板是二氧化硅薄膜。在压敏极板表面溅射上一层金属作为上电极，选择的金属是金。同时考虑压敏极板压力过载时与 电极可能发生接触导致短路，因此在 衬底上对一层绝缘材料进行淀积，选择的绝缘材料为氮化硅。在氮化硅的淀积中，由于氮化硅与硅之间粘附性较差，而氮化硅与二氧化硅间的粘附性却较好，因此先在硅上薄薄地淀积一层二氧化硅，将其作为中介层，接着再对氮化硅进行淀积。在压力传感器的设计中，根据现有加工能力，将超薄压敏极板的制备厚度定为 ，为确保压力传感器输出电容与外界压力之间呈线性关系，压力传感器的最大形变量必须满足下式：（）（）式中：是方形压敏极板边长；是作用压力；是二氧化硅薄膜的泊松比；是压敏极板的厚度；是二氧化硅薄膜的杨氏模量。根据计算结果，最大形变量小于 ，考虑设计约束与加工技术的限制，将空腔高度设定为。接着设计温度传感器，共设计两个单元，分别为频率温度转换单元与 振荡器单元。振荡器单元由电流镜、振荡器、偏置电路构成。其中在 振荡器的设计中，对传统 振荡器进行一定改进。将其改为单充电支路与双比较器的左右对称双电容结构。改进后其输出脉冲方波的对应振荡周期可通过下式来计算：（）式中：、是两个电容的充电周期；、是指两个电容；是电容充电时使反相器实现翻转所需的电压；是左右对称电路的实际充电电流。结构改进后，需要将器件的宽长设为较大值，以降低左右失配误差造成的影响。电流镜能够从偏置电路中对偏置电流进行镜像处理，设计的电流镜由两个 管构成，二者具备相同的漏极电流，但宽长比不同。偏置电路能够产生温度敏感的电流，作为电源中的电容充电电流。设计的偏置电路如图 所示。图 设计的偏置电路频率温度转换单元由运算放大器、数字测频转换电路构成。设计一种共源共栅折叠式结构的运算放大器，该放大器共有两极，一级是差分放大器结构，由两个 管和两个 管构成，每个 管和 管构分别构成一个恒流源作为该级负载。另一级是共栅增益级，由两个 管构成。数字测频转换电路由数字测频电路与转换电路构成，其中数字测频电路使用的测量方法是多周期同步测频法，转换电路由 位同步计数器、位同步计数器与温度转换器构成。电 子 器 件第 卷最后进行气体流量传感器的设计，该传感器主要通过控制加热元件温度来实现气体流量测量，主要通过保持加热元件的阻值恒定来实现其温度控制。使用的加热元件为温度探头，是该传感器的核心部件。该温度探头的结构为在陶瓷基片上串联温度补偿铂电阻与温度测量铂电阻，并通过三根低阻导线引出。基于该加热元件设计惠斯顿电桥电路，实现温度补偿功能。并设计 数字电路、信号处理电路以及显示电路，完成气体流量传感器的结构设计。其中 数字电路的芯片选用，能够实现 电压的采样；信号处理电路由分压电路与滤波电路构成；显示电路的芯片选用。控制器模块设计通过控制器能够实现平台监控控制，并综合传感器数据获取监控结果。在控制器模块中，设计的控制器的架构如图 所示。图 设计的控制器的架构其中电源电路能够提供控制器各部位的匹配电源，并回采检测控制器的供电电压；预驱电路的作用是提升控制器驱动信号的能力，并监视驱动电路的运行；最小系统应用电路的作用是处理采集信号，针对实际工况实施输出信号的决策，以及控制策略储存；驱动电路的作用为实现信号的方法，产生三相调制电压；上位机负责处理传感器数据，并通过计算获得变风量制热能耗监控数据；传感器信号电路的作用是采集传感器信号；通讯模块的作用是向上位机传输信号。硬件监视层、逻辑检测层、控制层为该控制器的软件架构，功能分别为通过芯片检测控制器工作状态，逻辑检测与限制，实现控制策略。异常数据处理模块异常数据处理模块负责对监控数据中的异常能耗数据实施识别与清洗。其中识别异常能耗数据的步骤具体如下：输入原始数据后，实施缺失数据判别。其中在数据库中缺失数据通常为空值或“”，识别简单，无须使用复杂算法；缺失数据判别后形成无缺失数据集与缺失数据集；对于无缺失数据集，对其实施突变数据判别，形成正常数据集与突变数据集。其中突变数据判别使用的方法是基于 聚类的判别方法，具体流程如下：构建历史数据集选择当前时刻焓值、室内机能耗、前一时刻空调能耗值作为工作时刻制热能耗的相应属性值进行聚类，选择属性值完整的数据对象，对历史数据集进行构建；聚类根据经验对聚类数 值进行确定，实施 聚类。其中在欧式距离的计算中，用下式表示两个样本集数据：（，）（）式中：指的是第一个样本集中的第 个数据。（，）（）式中：指的是第二个样本集中的第 个数据。通过下式对欧氏距离进行计算：（，）（）式中：指的是总样本个数；指的是第一个样本集中的第 个数据；是指第二个样本集中的第 个数据。异常数据占比确定完成聚类后，进行如下设定：总数据量中某聚类簇的数据量占比小于 时，将该聚类簇内的数据定义为突变能耗数据，并对数据进行标记。数据集输出与历史数据集更新输出突变数据集与正常数据集，并对历史数据集进行更新。此处为减少计算量，将历史数据集的样本量直接保持在冬季的月份。输出突变数据集、缺失数据集与正常数据集。直接剔除突变数据集、缺失数据集，将剩余的正常数据集作为监控中的使用数据，完成异常能耗数据的清洗。实验测试 实验方法设计对于设计的暖通空调变风量制热能耗精准监控第 期郭燕飞：暖通空调变风量制热能耗精准监控方法研究 平台，在某公共建筑中测试其监控性能。实验公共建筑是一所医院，是一个大型建筑，应用暖通空调系统进行医院的制热、空气调节与通风，日常能耗较大。应用设计的能耗精准监控平台对该建筑中的暖通空调进行变风量制热能耗监控，为其节能措施的制定奠定基础。首先在医院的暖通空调挂机上布设压力传感器、温度传感器以及气体流量传感器，分别在每台挂机上布设三个传感器，并确保布设没有遗漏。通过控制器将数据传输至 端中，利用平台采集数据，基于异常数据处理模块完成数据清洗，一方面对数据进行分析控制，综合传感器数据获取监控结果。传感器模块实物如图 所示。图 模块局部实物图其中传感器数据需要进行异常能耗数据的识别与清洗。在实验测试前，需要确定最佳聚类数，过程如下。（）式中：是所有样本的聚类误差，代表了聚类效果的好坏；是第 个簇；是 中的样本点；是 的质心（中所有样本的均值）。误差平方和（，），随着聚类数 的增大，样本划分会更加精细，每个簇的聚合程度会逐渐提高，当 小于真实聚类数时，的下降幅度会很大，而当 到达真实聚类数时，再增加 所得到的聚合程度回报会迅速变小，所以 的下降幅度会骤减，然后随着 值的继续增大而趋于平缓，也就是说 和 的关系图是一个手肘的形状，而这个肘部对应的 值就是数据的真实聚类数。从图 可以看出，在 时，聚类数目是最优的。在异常能耗数据的识别中，根据上述结果，将聚类数 值设为。聚类结果具体如表 所示。图 聚类最优 值的选取表 聚类结果聚类类别聚类中心样本个数 个样本量占比 是否标记异常否否否否否否否 根据获取的变风量制热能耗监控结果，对设计平台的监控性能进行测试。在测试中，将小型办公建筑冬季空调采暖的能耗监测及分析方法与制药厂房空调机组耗热量的监测及分析方法作为对比方法，共同进行对比测试，后文分别用方法、方法表示这两种方法以简化说明，共测试七天，测试时间为每天的：，观察设计平台是否表现出性能优越性。监控误差测试在监控误差测试中，采用文献研究的上海市某小型办公建筑冬季采暖能耗监测及分析（方法）与文献提出的基于模式划分的空调能耗混合填补方法（方法）作为对比方法，分别测试三种方法能耗监控结果相对实际能耗数据的绝对误差值与相对误差值，全方位测试能耗监控误差。在绝对误差值的测试中，平均绝对误差值、最大绝对误差值的测试结果如图 所示。根据图 的测试结果，设计平台的平均绝对误差值低于 ，方法、方法的平均绝对误差值低于 、，设计平台的平均绝对误差值最低。同时 设 计 平 台 的 最 大 绝 对 误 差 值 约 为，方法、方法的最大绝对误差值约为、，同样是设计平台的最大绝对误差值最低，证明了其监控结果的精准性。在相对误差值的测试中，平均相对误差值、最大相对误差值的测试结果如图 所示。电 子 器 件第 卷图 绝对误差值测试结果图 相对误差值测试结果图 的误差测试结果表明，设计平台的平均相对误差值低于，方法、方法的平均相对误差值均低于，相比之下设计平台的平均相对误差值达到最低。同时设计平台的最大相对误差值为，方法、方法 的最大相对误差值约为 、，由此可以看出设计平台的最大绝对误差值比方法、方法的最大绝对误差值小很多。综合绝对误差值与相对误差值的测试结果，可以看出设计平台的暖通空调变风量制热能耗监控结果有着显著的优越性，也就是设计平台的监控更加精准，监控结果与实际能耗最为