ДИНАМИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ КЛИМАТИЗЦИИ ЗДАНИЙ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ

АННОТАЦИЯ

Традиционные системы климатизации (СК) зданий демонстрируют низкую энергоэффективность из-за игнорирования динамических факторов, таких как фактическое присутствие людей. Данное исследование предлагает динамическое управление СК через интеграцию ультразвуковых датчиков (УД), которые точно определяют присутствие и движение, используя высокочастотные импульсы, например, 40 кГц, что позволяет системе работать "по требованию". Основная цель исследования— обосновать рассматриваемый подход для повышения энергоэффективности с потенциальной экономией 20–30% и оптимизации микроклимата. УД, часто комбинируемые с инфра-красными-датчиками для повышения точности, интегрируются с контроллерами СК, обеспечивая адаптивную регулировку вентиляции и температуры. Это способствует снижению энергопотребления, устраняет ручную настройку и повышает общий комфорт в зданиях.

ABSTRACT

Traditional building air conditioning systems exhibit low energy efficiency due to their neglect of dynamic factors, such as the actual occupancy of people. This study proposes dynamic AC control through the integration of ultrasonic sensors (USSs), which accurately detect presence and movement using high-frequency pulses, such as 40 kHz, allowing the system to operate "on demand." The primary objective of the study is to validate the proposed approach for improving energy efficiency with potential savings of 20–30% and optimizing the microclimate. USSs, often combined with infrared sensors for increased accuracy, are integrated with air conditioning systems controllers, providing adaptive ventilation and temperature control. This reduces energy consumption, eliminates manual adjustments, and improves overall comfort in buildings.

Ключевые слова: динамическое управление системами климатизации, ультразвуковые датчики присутствия, повышение энергоэффективности зданий, адаптивное управление, загруженность помещений.

Keywords: dynamic AC control, ultrasonic occupancy sensors, improving building energy efficiency, adaptive control, room occupancy.

Введение. Несмотря на определенные достижения в технологиях систем климатизации, многие системы по-прежнему работают с использованием простых механизмов управления и регулирования. В отличие от фиксированных графиков и простых термостатических настроек, традиционные подходы управления не учитывают такие факторы, как количество людей, переменные параметры воздуха или качество воздуха в помещении. В результате происходит чрезмерное потребление энергии [2]. Эта проблема особенно актуальна в больших, многофункциональных и сложных зданиях, где значительное количество людей может испытывать недостаток свежего воздуха [2]. Для решения этой проблемы предлагаются такие перспективные решения как интеграции новых технологий, таких как искусственный интеллект (ИИ) и Интернет вещей (IoT) [3]. Эти технологии используют сложные алгоритмы для оценки качества воздуха в помещении и факторов окружающей среды, таких как температура, для определения потребностей в отоплении и охлаждении, тем самым повышая эффективность работы систем ОВК. В этом контексте одна из инновационных концепций заключается в оптимизации работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха путем точного определения количества находящихся в помещении людей с использованием ультразвуковой датчики [4].

Методология исследования. Динамическое управление системами климатизации (СК) с помощью ультразвуковых датчиков (УД) реализуется через обнаружение присутствия людей и измерение потоков воздуха, что позволяет оптимизировать вентиляцию и соответствующее энергопотребление. УД излучают ультразвуковые волны, анализируют их отражение для определения движения и расстояний, обеспечивая точный контроль без контакта с людьми. В контексте CК они повышают эффективность за счет адаптации к реальной загрузке помещений людьми [5].

Принцип работы УД следующий (рис.1 ): они посылают высокочастотные, короткие звуковые импульсы, как правило 40 кГц, через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Когда импульсы ударяются о препятствие- они отражаются обратно как эхо сигнала датчика, который сам вычисляет расстояние до объекта по времени между сигналом передачи и сигналом приема [6]. Измеряется время возврата эха для расчета расстояния и обнаружения движения, даже за препятствиями. В системах климатической техники они регулируют и компенсируют влияние температуры и влажности, интегрируясь с контроллерами для реального времени корректировки [7]. Это обеспечивает стабильную работу в помещениях с неравномерным присутствием людей и неравномерной загруженностью помещения в течении суток.

Рисунок 1. Принцип действия ультразвукового датчика

Результаты и обсуждение. Применение УД в CК- датчики присутствия активируют вентиляцию только при обнаружении движения в радиусе до 7–11 м, снижая энергозатраты на 20–30% в пустующих зонах. Ультразвуковые расходомеры измеряют потоки воздуха в воздуховодах оптимизируя балансировку системы. В умных кондиционерах, таких как TCL P7, они корректируют температуру и направление потока по данным о людях [8]. Преимущества применения УД для СК:

• Высокая чувствительность к мелким движениям, подходит для офисов, музеев, зданий религиозного назначения  и складов
• Бесконтактность и долговечность без калибровки.
• Интеграция с искусственным интеллектом для зонального контроля и энергосбережения.

Ограничения применения УД для СК это то, что влияние температуры и влажности требует компенсации, а в шумных средах возможны ложные срабатывания. Часто комбинируют с ИК-датчиками для повышения точности. Подходят не для всех сред, где преобладают сильные воздушные потоки [9].

Цель исследования- разработка и обоснование подхода к динамическому управлению системами климатизации на основе ультразвуковых датчиков для повышения энергоэффективности и оптимизации микроклимата в помещениях за счет точного учета фактического присутствия и плотности людей.

Основная часть. Датчики присутствия являются неотъемлемой частью современных СК, помогая оптимизировать энергоэффективность и повысить комфорт за счет обнаружения присутствия людей и соответствующей регулировки параметров. Существует несколько типов датчиков присутствия, каждый из которых имеет уникальные особенности и области применения. Типы датчиков присутствия [10]:

- Пассивные инфракрасные (PIR) датчики:

- Ультразвуковые датчики:

- Датчики с двойной технологией:

Пассивные инфракрасные (PIR) датчики: PIR-датчики — один из наиболее распространенных типов датчиков присутствия. Они обнаруживают присутствие людей на основе изменений инфракрасного излучения, испускаемого людьми или объектами. Когда человек попадает в поле зрения датчика, он обнаруживает тепло, излучаемое телом, и запускает систему ОВК для регулировки параметров или включения/выключения. PIR-датчики особенно эффективны в помещениях с периодическим присутствием людей, таких как офисы, конференц-залы и туалеты.

Ультразвуковые датчики: Ультразвуковые датчики излучают высокочастотные звуковые волны и измеряют время, необходимое для отражения волн от объектов в помещении. Когда в помещении находится человек, датчик обнаруживает отраженные звуковые волны и подает сигнал системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) для активации или регулировки настроек. Ультразвуковые датчики эффективно обнаруживают движение, даже за препятствиями или перегородками, что делает их подходящими для открытых офисных помещений, складов и учебных классов.

Они сочетают в себе функции ИК-датчиков движения (PIR) и ультразвуковых датчиков, обеспечивая более высокую точность и надежность обнаружения присутствия. Эти датчики требуют ИК-сигналов и ультразвуковых сигналов для индикации присутствия, что минимизирует вероятность ложных срабатываний. Датчики с двойной технологией обычно используются в помещениях со сложной схемой присутствия или в местах, где поддержание высокого уровня точности имеет решающее значение, таких как больницы, гостиницы и крупные конференц-центры.

Важно выбрать правильный тип датчика присутствия, исходя из конкретных потребностей и требований помещения. При выборе подходящего датчика для максимальной экономии энергии и комфорта в системах ОВК следует учитывать такие факторы, как размер помещения, схема присутствия и желаемый уровень точности.

Влияние УД присутствия на повышение энергоэффективность СК. Датчики присутствия играют решающую роль в повышении энергоэффективности зданий, интеллектуально управляя системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Эти датчики предназначены для обнаружения присутствия или отсутствия человека в помещении и соответствующей регулировки параметров систем ОВК. Одним из существенных преимуществ датчиков присутствия является то, что они предотвращают потери энергии, автоматически отключая системы ОВК, когда помещение пустует. Это исключает необходимость ручной регулировки и гарантирует, что энергия потребляется только тогда, когда это необходимо, что приводит к существенной экономии энергии.

Кроме того, датчики присутствия могут оптимизировать управление температурой и вентиляцией на основе моделей присутствия людей. Когда помещение занято, датчик может отрегулировать температуру до комфортного уровня и поддерживать ее до тех пор, пока помещение не освободится. Когда датчик обнаруживает отсутствие людей, он подает сигнал системе ОВК о снижении или отключении отопления или охлаждения, избегая ненужного потребления энергии. Такой адаптивный и автоматизированный подход обеспечивает эффективное кондиционирование помещений, что особенно полезно в помещениях с изменяющейся плотностью присутствия людей в течение дня.

Помимо энергосбережения, датчики присутствия способствуют созданию более комфортной и удобной для пользователей среды. Жильцам здания больше не нужно вручную регулировать термостаты или настройки систем отопления, вентиляции и кондиционирования, поскольку датчики делают это автоматически. Это удобство повышает удовлетворенность пользователей и минимизирует жалобы, связанные с перепадами температуры. Интеграция датчиков присутствия в системы ОВК — это инновационный и эффективный способ повышения энергоэффективности и оптимизации комфорта в коммерческих и жилых зданиях.

Интеграция датчиков присутствия с системами управления СК. Интеграция датчиков присутствия с системами управления СК позволяет обеспечить плавный и эффективный переход между различными уровнями энергопотребления, что позволяет зданиям максимально эффективно использовать ресурсы. Системы ОВК могут регулировать свои настройки, отслеживая уровень присутствия людей в разных комнатах или зонах. Например, если комната пустует в определенное время, система ОВК снизит свою энергоотдачу. Это позволяет значительно сэкономить на затратах на электроэнергию и повысить комфорт для жильцов, когда они находятся в помещении. Интеграция датчика присутствия в систему освещения здания также может привести к дополнительной экономии за счет автоматического приглушения или выключения света.

При интеграции датчика присутствия с блоком управления системы СК (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) важно учитывать тип используемого датчика. Пассивные инфракрасные датчики часто предпочтительнее из-за их низкой стоимости и способности обнаруживать присутствие без дополнительной настройки. Кроме того, эти датчики могут точно обнаруживать людей сквозь стены или другие препятствия, такие как мебель. С другой стороны, ультразвуковые датчики могут быть предпочтительнее в случаях, когда требуется более высокая точность, но требуют дополнительной настройки и периодического обслуживания (рис. 2).

Рисунок 2. Работы датчиков присутствия и элементов управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC)

Для эффективной интеграции датчика присутствия и блока управления системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) оба устройства должны использовать совместимые протоколы связи; в противном случае они не смогут должным образом обмениваться данными и эффективно оптимизировать энергопотребление. Кроме того, необходимо тщательно продумать частоту обмена данными, чтобы всегда достигались оптимальные условия работы, избегая при этом ненужных затрат на связь, которые потенциально могут увеличить затраты на электроэнергию вместо их снижения.

Выводы. Проведенное исследование демонстрирует, что динамическое управление системами климатизации на основе ультразвуковых датчиков  представляет собой инновационный подход, существенно превосходящий традиционные, статичные механизмы регулирования. Основная ценность УД заключается в их способности обеспечивать адаптивное управление СК путем точного отслеживания фактического присутствия и движения людей в помещении. В отличие от фиксированных графиков, УД позволяют системе климатизации функционировать по принципу "по требованию". Динамическое управление СК с помощью УД устраняет проблему чрезмерного потребления энергии, вызванную неспособностью традиционных систем учитывать переменные факторы, такие как количество людей и качество воздуха. Это не только повышает энергоэффективность зданий, но и значительно улучшает пользовательский комфорт, обеспечивая автоматическую и своевременную регулировку параметров микроклимата.

Список литературы:

1. Husein, L. A., Alsyouf, I., Mushtaha, E., & Alzghoul, A. (2022). Towards High-Performance Buildings using IoT and AI technologies: A Comprehensive Review. In Conference: The International Conference on Industrial Engineering and Operations Management: Nsukka, Nigeria.
2. Zhao, Y., Genovese, P. V., & Li, Z. (2020). Intelligent thermal comfort controlling system for buildings based on IoT and AI. Future Internet, 12(2), 30.
3. Bi, J., Wang, H., Yan, E., Wang, C., Yan, K., Jiang, L., & Yang, B. (2024). AI in HVAC fault detection and diagnosis: A systematic review. Energy Reviews, 100071.
4. Yayla, A., Świerczewska, K. S., Kaya, M., Karaca, B., Arayici, Y., Ayözen, Y. E., & Tokdemir, O. B. (2022). Artificial intelligence (AI)- based occupant-centric heating ventilation and air conditioning (HVAC) control system for multi-zone commercial buildings. Sustainability, 14(23), 16107.
5. Shih, O., Lazik, P., & Rowe, A. (2016). Aures: A wide- band ultrasonic occupancy sensing platform. In Proceedings of the 3rd ACM international conference on systems for energy-efficient built environments (pp. 157-166).
6. Khalil, N., Benhaddou, D., Gnawali, O., & Subhlok, J. (2018). Nonintrusive ultrasonic-based occupant identification for energy efficient smart building applications. Applied Energy, 220, 814-828.
7. Tripathi, A. M., Baruah, R. D., & Nair, S. B. (2015). Ultrasonic sensor-based human detector using one-class classifiers. In 2015 IEEE International Conference on Evolving and Adaptive Intelligent Systems (EAIS) (pp. 1-6). IEEE.
8. Khalil, N., Benhaddou, D., Gnawali, O., & Subhlok, J. (2016). Nonintrusive occupant identification by sensing body shape and movement. In Proceedings of the 3rd ACM international conference on systems for energy-efficient built environments (pp. 1- 10).
9. Balthazar, P., & Ismail, M. A. (2018). Ultrasonic Humidifier Applications in HVAC system. Evolutions in Mechanical Engineering.
10. Доманов, В., Певчева Е. (2019). Комплексный контроль параметров микроклимата теплицы. Промышленные АСУ и контроллеры.