Система поддержания комфортного микроклимата в помещениях

Полезная модель относится к области поддержания комфортного микроклимата в помещениях с большой концентрацией людей - в детских садах, учебных классах и аудиториях, в офисах. Система поддержания комфортного микроклимата в помещениях содержит центральный блок управления 6, состоящий из нечеткого контроллера 7, блока обучения 8, выполненного на базе генетического алгоритма и имеющего прямую и обратную связь с центральным блоком 6, и устройства визуализации и управления 9, имеющего в своем составе сенсорную жидкокристаллическую touch-screen панель и имеющего прямую и обратную связь с центральным блоком 6, блоки датчиков параметров внешней воздушной среды и воздушной среды внутри помещений 10, 11, 12, включающие датчики содержания углекислого газа, датчики температуры и датчики относительной влажности, выходы которых соединены с центральным блоком управления 6, пассивные в виде окон и дверей и (или) активные в виде батарей отопления и блока вентиляции элементы регулирования микроклимата 1-5, причем входы и выходы активных элементов 3, 4, 5 регулирования соединены с центральным блоком управления 6. Применение системы позволяет поддерживать максимально комфортные условия в помещениях с большой концентрацией людей как в ручном, так и в автоматическом режимах. Одновременное использование нечеткого контроллера, принимающего решения, и блока на базе генетического алгоритма, его обучающего, позволяет учитывать большое количество значений параметров температуры, влажности и углекислого газа, имеющих разброс в значительном диапазоне своих значений и с высокой точностью поддерживать эти параметры в наиболее комфортной области.

Полезная модель относится к области поддержания комфортного микроклимата в помещениях с большой концентрацией людей - в детских садах, учебных классах и аудиториях, в офисах.

Известна система управления микроклиматом помещений внутри здания, предназначенная для повышения или понижения температуры внутри здания. Система содержит датчики температуры внутри здания, блоки - нагреватель, охладитель, регулируемый вентилятор подачи воздуха, а также нечеткий контроллер, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования, а выход соединен с блоками охладителя, нагревателя и вентилятора (патент 86709). Работа нечеткого контроллера осуществляется на принципах нечеткой логики на основе экспертных данных по тридцати шести правилам для каждого выхода и позволяет регулировать работу нагревателя, охладителя и вентилятора.

Однако данная система позволяет регулировать климат только внутри здания в целом, не учитывая микроклимата в разных помещениях, и только по одному параметру - температуре, причем не учитывается пофасадный баланс тепла.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленной системе является система управления климатом внутри здания, взятая за прототип (патент на ПМ 89672, МПК F24F 11/00). Система содержит датчики температуры и относительной влажности снаружи и внутри здания, нагреватель, охладитель, увлажнитель, вентилятор подачи воздуха и нечеткий контроллер, вход которого соединен со всеми датчиками, а выход - с охладителем, увлажнителем, нагревателем и вентилятором подачи воздуха. Работа нечеткого контроллера осуществляется на принципах нечеткой логики на основе экспертных данных по сорока девяти правилам для каждого выхода и позволяет регулировать работу нагревателя, охладителя, увлажнителя и вентилятора.

Однако известная система учитывает только такие параметры, как температура и влажность, не учитывает особенности процессов теплогазообмена в помещениях конкретной геометрии и распределения параметров микроклимата в каждом помещении здания, что не позволяет создать комфортные условия для людей.

Известно, что активным элементом, влияющим на микроклимат в конкретном помещении, являются люди. Особенно это существенно для школьных классов, студенческих аудиторий и прочих помещений, где в течение достаточно длительного времени находится большое количество людей. Для создания комфортного микроклимата большое значение имеет содержание в воздухе углекислого газа. В закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Например, замеры показывают, что когда в школьном классе уровень CO2 уже достигает 1000 ppm (0,1%), т.е. становится душно, содержание кислорода практически не меняется. Особенно быстро нарастает уровень углекислого газа в помещениях с пластиковыми окнами. Современные исследования доказывают, что повышенное содержание С02 во вдыхаемом воздухе негативно влияет на кровь, слизистые, дыхательную систему, мочевыводящую систему, костную ткань, иммунитет и умственную деятельность человека. (И.В.Гурина, журнал "Химия и жизнь", 2, 2010 г., Кто ответит за духоту в помещении).

При создании полезной модели решалась задача поддержания максимально комфортных условий внутри помещений определенного типа (школьных классов, аудиторий), за счет учета большого количества факторов и параметров, имеющих разброс в значительном диапазоне своих значений и регулирования этих параметров в автоматическом и ручном режимах.

Поставленная задача решена за счет того, что в известной системе поддержания комфортного микроклимата в помещениях, содержащей блоки датчиков параметров внешней воздушной среды и воздушной среды внутри помещений, включающие датчики температуры и относительной влажности, выходы которых соединены с центральным блоком управления, выполненным на базе нечеткого контроллера, пассивные и (или) активные элементы регулирования микроклимата, причем входы и выходы активных элементов регулирования соединены с центральным блоком управления, согласно полезной модели, центральный блок управления дополнительно содержит блок обучения, выполненный на базе генетического алгоритма, имеющий прямую и обратную связь с нечетким контроллером, и блок визуализации и управления, имеющий прямую и обратную связь с нечетким контроллером и отображающий в реальном времени состояние микроклимата в помещении, а блоки датчиков параметров воздушной среды дополнительно содержат датчики содержания углекислого газа, выходы которых соединены с нечетким контроллером.

Применение предложенной системы позволит поддерживать максимально комфортные условия в помещениях с большой концентрацией людей как в ручном, так и в автоматическом режимах. Одновременное использование нечеткого контроллера, принимающего решения, и блока на базе генетического алгоритма, его обучающего, позволяет учитывать большое количество значений параметров температуры, влажности и углекислого газа, имеющих разброс в значительном диапазоне своих значений и с высокой точностью поддерживать эти параметры в наиболее комфортной области.

На фиг.1 представлена общая схема системы поддержания комфортного микроклимата; на фиг.2 показана схема центрального блока управления; на фиг.3 показан внешний вид сенсорной панели устройства визуализации и управления; на фиг.4 представлен общий вид графиков функции принадлежности; на фиг.5 - табличная форма нечеткого алгоритма; на фиг.6 - график многомодальной функции от 2-х переменных.

Система содержит пассивные элементы регулирования микроклимата в виде окон 1 и двери 2, активные элементы регулирования в виде батарей отопления 3, кондиционера 4 и блока вентиляции 5, и центральный блок управления 6, состоящий из нечеткого контроллера 7, блока обучения 8 и устройства визуализации и управления 9, имеющего в своем составе сенсорную жидкокристаллическую touch-screen панель. Входы нечеткого контроллера 7 соединены с блоком датчиков температуры, влажности и углекислого газа 10, размещенным на открытом воздухе (на улице), с блоком датчиков температуры, влажности и углекислого газа 11, размещенным в коридоре, и с блоком датчиков температуры, влажности и углекислого газа 12, размещенным в помещении в корпусе центрального блока 6. Устройство визуализации и управления 9 имеет прямую и обратную связь с нечетким контроллером 7. Блок обучения 8 имеет прямую и обратную связь с нечетким контроллером 7 и может быть реализован, например, на базе генетического алгоритма. Также на схеме обозначены источники значительного влияния на микроклимат - люди (ученики) 13, которые в ходе своей жизнедеятельности увеличивают температуру, влажность и особенно содержание углекислого газа CO2 в помещении.

Настройка и эксплуатация системы осуществляется в 3 этапа.

1-ый этап - предварительная (исследовательская) настройка и обучение центрального блока системы на этапе его разработки. Этому этапу подергается один исследовательский образец центрального блока управления 6, который вместе с блоками 10, 11 и 12 размещают в помещении типового учебного класса и рядом с ним, в соответствии с Фиг.1.

Случай "А", когда помещение имеет только пассивные элементы регулирования микроклимата 1, 2 и активный элемент 3, данные о температуре которого могут поступать в блок 7, но не имеется возможности регулирования его температуры или мощности тепловыделения (наиболее распространенная на сегодня ситуация в школьных классах).

Исследования проводятся в типовом школьном классе в ходе проведения занятий по штатному расписанию в течение нескольких недель или месяцев в разные периоды климатического сезона. Специальный человек (оператор) отслеживает показания значений температуры, влажности и содержания углекислого газа внутри помещения, фиксируемые датчиками блока 12 и выводимые на сенсорную панель устройства 9. Показания выдаются в виде таблицы с четырьмя столбцами - время, температура, влажность и содержание С02 или в виде картинки, отображающей динамику «точки состояния» в трехмерном пространстве температуры, влажности и CO2 (фиг.3, б). «Точкой состояния» называется точка в трехмерном пространстве параметров, соответствующая текущим показаниям всех трех параметров.

При этом оператор, открывая и закрывая окна и дверь (элементы 1, 2) на некоторое время, старается поддерживать нахождение «точки состояния» в области комфортных значений, характеризующейся определенным диапазоном температуры, влажности и содержания углекислого газа. Под «областью комфортности» обычно понимают область в диапазоне 1725°C и 3070% относительной влажности. При учете третьей оси - уровня CO2 - эта область дает проекцию в диапазон от 0.05 до 0.08% CO2. Содержание CO2 0.05% соответствует уличному воздуху, больше 0.08% - считается повышенным и вредным. Граница этой области выделяется на картинке на панели устройства 9 более темным цветом (фиг.3, б). В ходе этих исследований оператор фиксирует продолжительность (время начала и завершения) и интенсивность воздействия пассивных элементов регулирования (например, величину открытия окна). Также идет постоянная автоматическая регистрация и накопление данных от блока датчиков 10 (за окном) и блока датчиков 11 (в коридоре). Также оператор проводит специальные исследовательские режимы, намеренно выводя кратковременно «точку состояния» значительно за пределы комфортных значений и возвращая ее обратно.

В результате обработки данных всех этих исследований, в ходе штатных и специальных режимов, извлекается общая информация о динамике температур, влажности и значений концентрации углекислого газа в ходе урока в учебном классе данного типа, обусловленная физикой и геометрией помещения и влиянием учеников 13, а также скорости влияния на эти параметры пассивных элементов системы терморегулирования. Эта информация далее будет преобразовываться в параметры нечеткой модели управления пассивными элементами регулирования микроклимата в классе. Для нечеткого контроллера 7 формируется программный код (прошивка), реализующая предварительный вариант системы нечеткого вывода, работающей на данном этапе в исследовательском режиме, при взаимодействии с тем же оператором - следующим образом.

На Фиг.4. представлен типовой вариант графиков функций принадлежностей, которые задаются для входных лингвистических переменных «Температура», «Влажность» и «CO2» и выходных «Открыть окно», «Открыть дверь». Для этих выходных переменных фактически подразумевается произведение величины этого фактора на продолжительность времени его действия. По оси абсцисс у каждого графика будет отображаться своя область изменения возможных значений данной переменной. Например, на Фиг.4 это диапазон [-90, 90], по оси ординат отражается значение функции принадлежности µ_х (нормированное в диапазоне [0, 1]). При этом на графике изображены отрезки, образующие термы (или нечеткие переменные) треугольного и трапециевидного вида, имеющие обозначения NB, NM, NS, ZE, PS, РМ, РВ. Эти обозначения являются стандартными общепринятыми в теории нечетких систем сокращениями англоязычных терминов означающих соответственно «Отрицательное большое», «Отрицательное среднее», «Отрицательное малое», «Близкое к нулю», «Положительное малое», «Положительное среднее» и «Положительное большое». Поступающие из датчиков блоков 10, 11 и 12, текущие цифровые данные «Температура 10», «Температура 11», «Температура 12», «Влажность 10», «Влажность 11», «Влажность 12», «С02_10», «С02_11», «С02_12» с помощью сопоставления с графиками функций принадлежностей, аналогичными представленным на Фиг.4, определяют один (или сразу два) из вышеописанных термов, например NM или (и) NS в зависимости от величины значения каждого данного. Это приводит к активизации одного или нескольких правил, содержащих в антецеденте (области условий) этот (эти) термы, из базы правил, фрагмент которой, например, может выглядеть следующим образом:

Правило N. ЕСЛИ («Температура 10» есть PS) и («Температура 11» есть РМ) и («Температура 12» есть РВ) и («Влажность 10» есть PS) и («Влажность 11» есть РМ) («Влажность 12» есть РВ) и («С02_10» есть PS) и («С02_11» есть PS) и («С02_12» есть РВ),ТО («Открыть_окно» есть РМ).

Правило N+K ЕСЛИ («Температура 10» есть NB) и («Температура 11» есть РМ) и («Температура 12» есть РВ) и («Влажность 10» есть PS) и («Влажность 11» есть PS) («Влажность 12» есть РВ) и («С02_10» есть PS) и («С02_11» есть PS) и («С02_12» есть РВ), ТО («Открыть_дверь» есть РВ).

В этой базе описаны взаимосвязи термов входных нечетких переменных «Температура», «Влажность», «CO2» и выходных лингвистических переменных - «Открыть дверь», «Открыть окно», подобных представленным на Фиг.4. В базе правила содержат определения для многих термов, соединенных в антецеденте (области условий) логическими связками типа «и», «или». Каждый случай такого сложного правила может быть разложен на совокупность простых правил вида, например, «Если 1 есть ZE и если 2 есть NB, ТО 3 есть РВ». Здесь ZE, NB и РВ, стандартно используемые сокращения от выражений «Близкое к нулю», «Отрицательное большое» (или «Очень слабо») «Положительное большое» (или «Очень сильно») и т.п. Визуализацию таких простых правил называют нечетким алгоритмом в табличной форме, и представляют схемами, подобными изображенным на Фиг.5.

Технологически реализация в блоке 7 системы нечеткого вывода, делающее его нечетким аппаратным контроллером, может быть произведена например, с помощью специализированного программного средства «Matlab&Simulink».

Аналогичным образом, например, с помощью специализированного программного средства «Matlab&Simulink» в блоке обучения 8 реализуется генетический алгоритм. С его помощью блок обучения 8 в ходе этапа 1 производит постепенное уточнение баз правил и графиков функций принадлежности. Каждый единичный сеанс возвращения точки состояния в область комфортных значений из разных положений при различных условиях за окном и в коридоре оператором с помощью пассивных устройств регулирования микроклимата является актом извлечения и использования опыта и умения этого оператора, который ориентируется на соотношение параметров внутри и вне помещения. Для того, чтобы система тоже этому «научилась», производятся вычислительные эксперименты с целью корректировки графиков всех функций принадлежности (см. Фиг.4) и базы правил. Начальный вид графиков функций принадлежности и базы правил обеспечивают некоторую траекторию движения точки состояния в зону комфорта. Эта траектория приводит ее туда хуже, чем экспериментальная траектория, обеспечиваемая вручную оператором. Разница между ними, выраженная математически, есть целевая функция, которую надо минимизировать. Такая задача хорошо решается только генетическим алгоритмом. Конструируется искусственная хромосома, в генотип которой вместо последовательности генов входят закодированные составляющие значений графиков функций принадлежности и правил базы правил. Создается первоначальная популяция, состоящая из несколько десятков особей, имеющих задаваемый начальный разброс по значениям «генов» хромосомами - по сути, различные варианты функций принадлежности и баз правил системы нечеткого вывода. Запускается процесс искусственной эволюции, в ходе которого особи мутируют и скрещиваются, порождая потомков, а на каждом шаге происходит отбор лучших (с точки зрения целевой функции) особей для продолжения участия в эволюции и уничтожение худших. В итоге, через несколько поколений «выращивается» особь с генотипом (вариантом базы правил и графиками функций принадлежности), обеспечивающим совпадение с наилучшей экспериментальной траекторией (минимум целевой функции). Можно искать максимум функции, противоположной целевой. На Фиг.6 (слева направо и сверху вниз) показан процесс нахождения максимума функции от двух переменных, имеющей сложный рельеф с локальными минимумами (оврагами) и максимумами (пиками). Черные точки на ландшафте поверхности функции и есть особи, каждая из которых дает частное решение задачи. Со временем параметры генотипа меняются, все особи улучшаются и перемещаются вверх по склону в направлении главного пика. Наконец одна особь достигает его, и процесс останавливается, т.к. генотип этой особи и содержит наилучший вариант базы правил и функции принадлежности для системы нечеткого вывода. В реальной системе размерность пространства параметров (размерность пространства поиска) значительно больше чем две переменные.

К концу этапа 1 для данного учебного класса для всех вариантов сочетаний параметров за счет настройки параметров нечеткого контроллера (функций принадлежности и базы правил) достигается управление, приводящее к скорейшему выходу точки текущего состояния в благоприятную зону. Аналогичные исследования проводятся для всех возможных типовых конфигураций помещений классов, а также для различных вариантов их расположения среди других помещений (угловые или средние). Учитывается также ориентация фасадов относительно сторон света и розы ветров, что влияет на инсоляцию (и температуру) и инфильтрацию (и скорость проветривания).

Случай "Б". Аналогично проводятся работы для помещения, где работают активные системы терморегулирования 4, 5, а элемент 3 имеет обратную связь с блоком 6. Здесь оператор достигает зоны комфортных значений, управляя мощностью батарей 3, производительностью кондиционера 4 и блока вентиляции 5. Найденные им экспериментально решения затем используются для корректировки параметров системы нечеткого вывода с помощью генетического алгоритма аналогично Случаю "А".

2-ой этап - дообучение.

Этому этапу подвергаются все готовые комплекты системы, установленные в конкретных классах, где они будут в дальнейшем эксплуатироваться. Объем испытаний для дообучения значительно меньше и занимает несколько часов. Проводит их другой человек - местный специалист (дилер, региональный представитель поставщика). Он выбирает из набора прошивку соответствующую данному типу класса, и проводит несколько тестовых экспериментов для привязки выбранных наборов баз правил и графиков функций принадлежности к особенностям данного класса.

3-ий этап - штатная эксплуатация.

В случае наличия в помещении только пассивных элементов регулирования преподаватель, проводящий уроки в классе, ориентируется на показания на панели устройства визуализации и управления 9, где выводится рекомендация, например, «открыть окно на 10 минут» или «открыть дверь на 5 минут» (фиг.3, а) и, следуя рекомендациям, обеспечивает комфортный микроклимат в помещении.

В автоматическом режиме центральный блок 6 будет самостоятельно включать и отключать активные элементы 3, 4, 5 (или увеличивать/уменьшать их производительность), поддерживая в помещении комфортные условия, при этом на сенсорной панели устройства 9 в режиме реального времени отображается текущая ситуация в виде движения точки в пространстве состояний (фиг.3, б).

В случае изменения физических условий (изменение теплопроводности стен, из-за дополнительного теплоизолирующего покрытия, или расширение оконных проемов) или смены помещения, должно быть произведено новое дообучение (повторен этап 2).

Система поддержания комфортного микроклимата в помещениях, содержащая блоки датчиков параметров внешней воздушной среды и воздушной среды внутри помещений, включающие датчики температуры и относительной влажности, выходы которых соединены с центральным блоком управления, выполненным на базе нечеткого контроллера, пассивные и (или) активные элементы регулирования микроклимата, причем входы и выходы активных элементов регулирования соединены с центральным блоком управления, отличающаяся тем, что центральный блок управления дополнительно содержит блок обучения, выполненный на базе генетического алгоритма, имеющий прямую и обратную связь с нечетким контроллером, и блок визуализации и управления, имеющий прямую и обратную связь с нечетким контроллером и отображающий в реальном времени состояние микроклимата в помещении, а блоки датчиков параметров воздушной среды дополнительно содержат датчики содержания углекислого газа, выходы которых соединены с нечетким контроллером.