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工程18(2022)218研究土木工程-文章智能IEQ监测与反馈系统的研制与应用杨庚a,b,c,#,张忠臣a,b,c,#,于娟b,e,陈洪忠a,b,c,周浩b,d,林伯荣a,b,c,刘伟,Weimin Zhuanga,d,庄伟民a清华大学建筑学院,北京100084b清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室,北京100084c清华大学室内空气质量评价与控制北京市重点实验室,北京100084d清华大学建筑设计研究院,北京100084北京清华同衡城市规划设计研究院,北京100085阿提奇莱因福奥文章历史记录:2020年12月24日收到2021年4月1日修订2021年9月14日接受2021年12月23日在线提供保留字:室内环境质量(IEQ)传感器图形用户界面交互式反馈A B S T R A C T室内环境质量(IEQ)对人类健康和福祉有着重要影响。因此,持续的IEQ监测和反馈是工业界和学术界非常关注的问题。然而,大多数现有的研究只专注于开发成本有效地促进IEQ测量的传感器,而忽略了人与IEQ监测之间的相互作用。本研究开发了一种智能IEQ监测与反馈系统-智能建筑环境(IBEM)。首先,IBEM硬件仪器将空气温度、相对湿度、CO2、空气动力学直径不大于2.5lm的颗粒物(PM2.5)和照度传感器集成在一个小型设备中。通过与参考传感器的共定位实验测试了该集成设备的准确性;该设备与参考传感器表现出很强的相关性,具有轻微的偏差(R2> 0.97,斜率在1.01和1.05之间)。其次,无线数据传输模块、云存储模块和图形用户界面(即,网络平台和移动界面)建立了一个与室内环境的居住者沟通和互动反馈的途径。因此,可以以高时空分辨率连续监测IEQ参数,可以诱导交互式反馈,并且可以实现关于居住者满意度和客观环境参数的同步数据收集。IBEM已在中国18个城市/地区的131栋建筑中广泛应用,样本点1188个。在这些应用中,我们报告了两个单独的建筑物的目标IEQ诊断和主观和客观IEQ数据之间的关系的探索在这里详细。这项工作表明了IBEM在工业和学术研究中的巨大价值。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版,高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。1. 介绍人们一生中有90%的时间是在室内度过的[1]。因此,室内环境质量(IEQ)直接影响人类健康和社会福祉[2例如,长期暴露在室内温度和湿度水平升高的环境中会导致更严重的病态建筑综合征(SBS)症状[5]。SBS症状强度增加,工作效率降低*通讯作者。电子邮件地址:linbr@tsinghua.edu.cn(B.Lin),zhuangwm@tsinghua.edu.cn(W.庄)。#这些作者对这项工作做出了同样的当室内空气变得更粘稠时[6]。劳伦斯伯克利国家实验室的Logue和Price[7]研究了美国住宅室内空气污染物对健康的慢性影响。他们发现,室内空气污染物每年造成每100 000人400-1100残疾调整生命年(DIBs)的损失Xiang等人[8]的另一项研究估计,中国城市中,室内短期和长期暴露于室外来源的PM2.5这些因IEQ不良而造成的健康和经济损失引起了人们对IEQ监测和控制的重大关注和深入思考。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.0172095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engY. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218219需要有切实可行的工具,以便有效和有力地衡量综合环境质量。传统的IEQ监测协议由大量独立的环境传感器[9-然而,这些传感器的总成本通常过高。此外,它们的组装在现实生活场景中具有强烈的侵入性[12,13],这极大地限制了空间维度中IEQ测量的普及。此外,这些传感器仅支持本地数据存储,因此IEQ测量必须在现场或短期内进行[14因此,传统的IEQ测量工具在时空尺度和数据分辨率方面存在不足。因此,对IEQ特征的正确理解是片面和不准确的。随着近几十年来物联网(IoT)和大数据技术的兴起,IEQ监测工具取得了相当大的进展[17]。传感器集成、无线数据传输和云服务等新技术正在被引入IEQ监测工具的开发中[18Ali等人[21]开发了一个用于集成各种IEQ传感器的开源平台。该平台能够以较低的成本支持大量和长期IEQ测量的灵活同步Kelly等人[22]应用物联网在住宅建筑中建立IEQ监控系统,该系统通过ZigBee和互联网协议版本6(IPv6)实现传感器的无线互连Parkinson等人[23,24]开发了一种基于无线传感器网络的连续IEQ监测系统SAMBA。SAMBA为了解室内环境的性能提供了更全面的解决方案,包括一套低成本的传感器和一个用于IEQ评级和分析的网络平台这些新工具大大提高了IEQ测量的效率。更重要的是,它们提供了在更广泛的时空尺度上以更令人满意的分辨率收集IEQ数据的机会然而,单靠客观的IEQ监测并不足以实现良好的室内环境。还需要为IEQ信息与用户的交互开辟了一条道路。室内环境的居住者通常希望了解其周围区域的客观IEQ条件[25];此外,该领域的研究人员需要听取居住者的意见,以创造更好的室内环境[26]。不幸的是,尽管许多研究人员在他们的研究中对IEQ进行了客观测量和主观调查,但很难在广泛的时空尺度内同步客观和主观数据[27换句话说,在调查发生的确切时间和地点的实际IEQ条件是未知的,人们在不了解客观IEQ结果的情况下接受调查。这一缺陷使得进一步研究IEQ参数与现实生活场景中居住者满意度之间的相关性成为不可能。总之,现有工具不能实现客观IEQ数据和居住者意见的同时数据收集,也不允许室内环境数据和居住者之间的信息交互。因此,本研究的主要目标是开发一种由多个传感器组成的低成本、高精度和远程传输的IEQ监测装置。基于IEQ设备的硬件,我们还旨在构建一个智能IEQ系统软件,包括云数据库和平台。该系统不仅可以实现长期连续的IEQ监测,还可以支持同时的信息交互和乘员反馈。本文其余部分的组织结构如下:第2节从软件和硬件两方面详细描述了该技术。第3节基于现场实验研究了传感器性能。第4节通过几个例子介绍了该技术的应用。第5节讨论了与其他同行的比较和本研究的局限性。2. 智能建筑环境监测仪自 2014 年 以 来 , 我 们 集 团 一 直 在 开 发 智 能 建 筑 环 境 监 测 仪(IBEM)到目前为止,IBEM仍在不断改进和升级。本节介绍了IBEM的整体结构,包括硬件和软件。如图1所示,IBEM由五个部分组成-集成传感器,云服务器,数据库,网络平台和移动接口-它们相互连接并最终演变成一条通路为了艾斯洛。IEQ数据(即,空气温度(温度)、相对湿度(RH)、CO2、PM2.5和照度)由集成传感器采集,并通过第三代移动通信技术(3G、4G,或者无线网络云服务器接收到数据后,将其保存到数据库然后,服务器将数据传输到Web平台和移动界面,以便在需要时进行跟踪、可视化和分析。在Web平台上,人们可以查看IBEM的运行状态,查看历史IEQ数据,并下载数据进行进一步分析。在移动界面上,IEQ信息被更直接地提供给居住者,诸如以实时IEQ条件的客观值和评估分数以及解决不良IEQ因素的优化建议的形式。同时,人们可以在移动界面上表达他们的意见,并提供关于这些主观投票被上传到云服务器,并立即与提供评级的同时记录这是实现客观和主观IEQ数据同步采集的关键基于IBEM,只需一台仪器就可以监测多个IEQ参数,从而以较低的成本解决了时空采样问题。更重要的是,该系统将室内环境与居住者联系起来,打破了他们之间的信息不对称下面两个小节介绍IBEM的详细技术信息2.1. 硬件IBEM硬件主要包括环境参数传感器,这些传感器是IEQ数据采集的基础。为了降低成本,提高环境监测的便利性,本研究采用了传感器集成设计。然而,考虑到成本和尺寸,在一个仪器中包括所有IEQ传感器是不切实际的。因此,在讨论了每个IEQ参数的重要性和长期监测的需要后,最终选择了五个传感器:温度、RH、CO2、PM2.5和照度。表1列出了所选传感器的信息(即,供应商、测量原理、范围和精度)。所有传感器的制造商认证周期均超过三年。有两点需要说明:(1) 化 学 污 染 物 的 传 感 器 , 如 甲 醛 或 总 挥 发 性 有 机 化 合 物(TVOC),没有集成到IBEM。尽管这些传感器的成本相对较小,但低成本TVOC传感器缺乏特异性,并且甲醛传感器缺乏适当水平的准确性,限制了它们在环境中的适用性。●●●●Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218220图1.一、IBEM的系统结构TSDB:时间序列数据库。TSPB:时间序列数据库。表1有关IEQ传感器的信息。参数产品编号传感器供应商原则范围精度温度,相对湿度公司简介Sensirion AG(瑞士)互补温度:-40相对湿度:0温度:±0.5°C相对湿度:±5%CO2S8-0053SenseAir(瑞典)非色散红外线(NH3)0-5000 ppm(ppm)±75 ppmPM2.5PMSA003-APlantower(中国)激光散射0-± 10%@20照度BH1750FVIROHM Semi(日本)光伏效应传感0500lg·m-3±5%本研究此外,中国标准中没有特别要求对化学污染物进行长期连续监测[31标准测量方案是在特定条件下进行抽样测试,而不是长期监测。(2) 噪声水平不包括在内,尽管声学对人类对IEQ的感知有影响这是我们在硬件开发中的缺陷之一,但我们仍然有两个考虑:首先,噪声标准[34例如,根据中国国家噪声标准[36],应在室外噪声最大时评估房间此外,房间应无人居住,加热,通风和空调(HVAC)系统应运行,并且在噪声测量期间应关闭窗户。因此,对于时间范围内的噪声水平没有连续采样要求[24],在大多数情况下,在最不利条件下进行一次性噪声测试就足够了其次,与其他IEQ参数不同,几乎没有直接的控制手段或技术,大多数建筑物的声学环境因此,虽然我们可以获得实时的噪声水平,这些数据对于改善工作声学性能的价值是微不足道的。从这个角度来看,与其他参数相比,持续监测噪音水平似乎不那么有价值。除了传感器,硬件还包括其他功能模块:数据传输模块,数据存储模块(备份),电源模块和显示模块。所有这些都集成到一个设备中,如图2所示。经过多年的研究,集成设备经历了多次升级和改造。因此,该设备的最新版本是一个手掌大小的圆形盒子,直径为125 mm,高度为40 mm,可以在现实测量场景中放置在桌子数据传输模块可以以预定义的间隔(例如,每隔1或5分钟)。3G或4G传输通过预先嵌入设备内部的用户识别模块(SIM)卡自动实现,Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218221图二、(a)不同版本IBEM的整个开发过程;(b)IBEM设备的内部结构,包括传感器、数据传输模块、数据存储模块、电源模块和显示模块。SIM:用户识别模块; SD:安全数字。无需在现场进行任何额外操作。或者,Wi-Fi传输需要用户在几个步骤中将设备连接到现有的Wi-Fi,这两个信号在大多数情况下可以作为双重保险来保证无线数据传输。此外,数据传输模块具有自恢复功能,其在临时网络中断之后自动恢复连接。该功能显著提高了长期监测中数据传输的可靠性。数据存储模块主要为无法实现无线数据传输的情况提供数据存储的备份IEQ数据可以本地存储在微型安全数字(microSD)卡中,该卡通常可以容纳一年以上连续监测的数据量电源模块包括一个外部电源接口(通用串行总线(USB)C型)和一个备用纽扣电池。设计的电气参数为5V直流(DC)和2A作为输入。通常,该装置由外部电力供电。但是,当外部电源暂时关闭时,纽扣电池可以作为短期电源使用,一般可以提供一周的连续电力。显示模块用于显示实时IEQ数据和网络连接状态。设备正面安装有发光二极管(LED)屏幕,按下按钮即可开启,自动前往15秒后关闭以保存能量。鉴于其众多的传感器和模块,这是一个重大的挑战,以尽量减少干扰的集成设备,特别是散热的影响,对测量精度的空气温度和相对湿度传感器。从三个方面考虑并采取了相应的措施来解决这一问题。首先,将空气温度和相对湿度传感器安装在迎风位置(即,最靠近外部环境的边缘),因此气流首先通过它们。其次,每个模块的额定功率控制在1W以下,以减少散热。第三,主热源和传感器之间的距离被设计为尽可能远。例如,Wi-Fi模块被放置在最远与空气温度和相对湿度传感器的距离。基于以上考虑,保证了IBEM的测量精度。性能测试和确认结果进一步见第3。2.2. 软件IBEM的软件设计包括两个主要部分:①数据传输和存储(即,云服务器和数据库),②数据呈现和人机交互(即,Web平台和移动接口)。数据传输和存储:整个架构是基于软件即服务(SaaS)概念开发的,如图所示。3.第三章。首先,采用Nginx负载均衡技术实现多源数据的其次,采用Apache Tomcat 8.0服务器和Linux操作系统。JavaEE Spring被用作服务器编程框架。服务器在统一标准下使用相同的应用程序编程接口(API),以方便查找数据。第三,不同的数据库存储不同的数据类型,以确保高效的读取和写入;这些数据库包括用于动态IEQ数据的时间序列数据库(TSDB),用于静态信息数据的MySQL数据库此外,数据呈现和网络平台向专业人士和数据分析师开放,以进行数据可视化和下载,而移动界面主要是为建筑物占用者评估IEQ状况和评价其意见而设计的。人们可以使用智能手机扫描IBEM监测设备上的快速响应(QR)码,轻松访问移动界面。图4(b)示出了移动界面的几个主要功能,下面进一步说明。Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218222图三.数据传输和存储的框架。表2每个IEQ参数的合规范围。参数合规范围来源温度24RH≤ 70%(夏季);不需要(冬季)GB 50736GB 50736二氧化碳≤1000 ppmANSI/ASHRAE 62.1PM2.5≤ 35lg·m-3T/ASC02照度≥300 lx(办公室)GB 50034-2013 [39]a声级≤45 dB(办公室)GB 50118-2010 [36]见图4。数据展示和乘客可以看到实时IEQ参数及其评级。该评级代表对IEQ参数基于标准的合规性能根据相关国家或国际标准(表2)[33,36-39]中的合规标准检查特定参数的测量结果,当计算一个IEQ参数的实时评级时,考虑过去1 h内也就是说,评级是基于最近一小时内符合范围内的测量结果的百分比计算的:评级X表示符合的测量结果的X最后,根据加权方案计算百分等级的整体IEQ指数(表3)。对于热舒适性,权重设置为0.30(温度为0.18,湿度为0.12),这与之前的设置基本一致[12]。室内空气质量(IAQ)的权重较高(0.40),与其他研究相比(0.14更具体地说,我们将CO2的权重设为0.24,PM2.5的权重设为0.16CO2浓度的权重值较高,因为它能反映室内空气质量的整体通风状况,常作为室内空气质量评价的综合指标。对于照明,权重设置为0.15,略低于其他研究(0.16-0.29)。这是因为室内光环境普遍达标,根据中国绿色建筑的大规模测量[41]。因此,我们降低了照度的权重,以进行区分IEQ指数的问题更加突出,并在更大程度上反映了其他IEQ因素的问题。在声学方面,虽然IBEM还不能测量噪声水平,但为了确保IEQ评估的完整性,仍然保留了声学的权重;但与其他研究(0.18-0.39)相比,其权重降低到0.15。目前,我们假设声学的最高分数。未来,当IBEM设备中添加噪声传感器时,将调整噪声级的权重,声学评分将根据测量数据而变化。最后,应该提到的是,本文只是一个例子,随着研究的深入,它将不断修正。历史IEQ数据也可以在IBEM移动界面上获得但是,与Web平台上的相应功能这种设计的目的是减少界面Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218223··表3IEQ指数计算的加权方案。热舒适空气质量照明声学TempRHCO2PM2.5照度-0.180.120.240.160.150.15对于表现不佳的IEQ因素,手机界面提供了具体建议,帮助乘员进行适当调整。例如,当室内空气质量非常差时,界面建议使用者打开空气净化器。更重要的是,开发了基于移动界面的投票模块。人们可以在了解实际的IEQ参数后提交他们对每个IEQ因素的看法或满意度。这些投票与IBEM设备针对特定时间段和地点监测的客观IEQ参数相匹配,并且组合数据被上传并保存在数据库中。该方法可同时采集主观和客观IEQ数据,克服了传统回顾性调查对客观IEQ状况盲目的缺点。也就是说,可以知道不同的IEQ条件如何影响人们在实际建筑物中的感知。这一结果可以帮助研究人员确定特定空间的最满意IEQ条件。这些信息是按需提供环境控制的关键。这种投票收集方法的另一个特点是它可以被动地接受住户的评分,而不是主动地进行调查(这可能会令人感到厌烦)。然而,这种方法也可能导致对不满的偏见,因为人们更有可能投票(即,而不是在IEQ表现令人满意时投票。这一问题需要解决,但需要进行更多的分析以进行核查。在本文中,我们将不进一步讨论可能的偏倚问题3. 基于有限现场评估的性能测试使用前,IBEM设备首先由国家计量研究院在测试室中进行校准(参见附录A中的第S1节)。为了描述权威校准后的IBEM性能,本节介绍了在受控办公室进行的有限现场评估。 IBEM监测设备的性能和准确性基于与几个商业传感器(即,参考传感器)。有关参考传感器的更多信息见表4[42]。选择这些参考传感器进行比较,因为它们广泛用于工业和学术研究[43,44]。所有参考传感器均在制造商认证期内,确保足够的准确性。IBEM设备及其商业等同设备在两层办公室的五个位置进行共置。选择这五个位置是为了从非常不同的环境中收集数据,这确保了测试期间的参数范围尽可能宽。对于商业和IBEM设备,在两天内以5分钟的间隔进行数据收集。每次测量的平均时间为10 min。图5显示了办公室平面图和用于共址测试的设备的放置ing. 所有器械均放置在高度为0.75 m的桌子在办公空间中,变制冷剂体积空调系统和加湿器用于热环境(即,空气温度和RH)控制。照明控制采用电动遮阳帘采用带高效过滤器的机械通风设备(过滤器的最低效率报告值(MERV)为15)提供室外空气以控制CO2浓度,采用空气净化器控制PM2.5此外,为了在测试过程中创造高CO2和PM2.5浓度的条件,干冰和熏香分别用作CO2和PM2.5的来源。在实验过程中,房间是空的,我们创造了相当不同的IEQ条件,空气温度从15到27°C变化,RH从20%到60%变化,照度从0到700 lx变化,CO2浓度从400到2000 ppm变化,PM2.5浓度从10到200lg m-3变化。因此,IEQ条件足够广泛,可以模拟实际建筑中的大多数场景。比较了IBEM装置和商用IEQ装置的IEQ监测数据,线性关系如图所示。 六、 IBEM和HOBO数据记录仪显示了整个测试过程中温度和RH读数的强烈相关性(图1和图2)。6(a)和(b); R2> 0.99,斜率在1.01和1.02之间)。温度的平均偏差为0.3 °C,RH的平均偏差为0.9%。CO2和PM 2.5浓度测量值在IBEM设备和它们的对应设备之间也有很强的相关性(图1和图2)。6(c)和(d); R2> 0.97,斜率在1.01和1.05之间),尽管有些分散。CO2浓度的平均偏差仅为25ppm,PM2.5浓度的平均偏差仅为7lgm-3对于照度,IBEM设备显示出与TESTO传感器的强相关性(图1)。 6(e); R2> 0.98,斜率= 1.01),平均偏差小于11 lx。这些测试结果验证了IBEM设备的测量精度。需要说明的是,上述实验测试了IBEM在不同IEQ条件下的短期表现在长期性能方面,IBEM可以对大多数建筑物中的CO2浓度和照度进行自校准,因为这些测量的基线值随时间大致恒定例如,CO2浓度的基线为400 ppm(室外值)。如果房间长期无人居住且通风良好,室内CO2浓度应降低至400 ppm。类似地,照度的基线是0 lx(全暗)。如果夜间房间无人居住,所有灯都关闭,室内照度应为0 lx。自校准算法自动将一定时间内的最小测量值与基线值进行比较,然后消除偏移。然而,如果一个建筑物没有长时间的空置,就很难确定IEQ参数基线。在这种情况下,自校准方法是无效的,需要召回监测设备进行手动校准。表4参考传感器的信息。参数参考传感器范围精度温度,RH HOBO MX 1102(Onset Computer Corporation,USA)温度:0温度:±0.21 ℃ @0相对湿度:± 2%@20%CO2 HOBO MX1102(Onset Computer Corporation,USA)0PM2.5TONGDY G 03-PM2.5(中国通迪传感技术股份有限公司)0 -600 lg·m-3 ±10 lg + 5%读数照度TESTO 545(德图SE& Co. KGaA,Germany)0-Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218224图五. 放置IBEM和市售器械进行共定位测试。图六、IBEM设备与其商业对应设备之间的比较:(a)Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218225由于室外天气和其他因素的影响,温度、RH和PM2.5浓度的基线并不恒定。因此,这些长期测量的校准通常必须是手动的。我们的研究至少每年一次召回每个监测设备进行手动校准和维护。此外,我们委托第三方检测机构进行了极端环境下的高频数据采集测试,证明了IBEM的长期运行可靠性。4. 应用和结果IBEM已在国内许多实际建筑中得到应用截至2020年底,该等设备及系统已部署于18个城市╱地区的131栋楼宇,覆盖严寒、寒冷、夏热冬测量的建筑物也包括各种类型,如办公室(48%),购物中心( 13% ) , 学 校 ( 9% ) , 医 院 ( 8% ) , 酒 店 ( 6% ) , 住 宅(11%)和其他(5%)。图7示出了被监测建筑物的地理位置和类型的分布。每栋建筑物中传感器数量和位置的选择原则见附录A第S2节,其中考虑了建筑物类型、面积、楼层、房间类型、方向和其他因素。到目前为止,已累积了总共1188个传感器位置。在每个采样点,IEQ参数连续监测一整年或在每个海-子中至少监测两周,数据采集间隔为1或5 min,平均在线率近90%,人工拔掉的设备除外此外,通过IBEM的移动界面收集建立了一个具有较宽时空尺度和较高分辨率的IEQ数据库数据量超过1.09肺结核,包括更比三亿记录关于IEQ参数和2425个建筑物居住者投票与来自相同时间段和位置的客观IEQ数据基于这样一个大规模的IEQ数据库,已经进行了许多分析。首先,揭示了中国建筑IEQ的宏观特征例如,在热环境控制方面,供需不平衡是一个重大问题。在冬季,寒冷地区的过热(即,“供应”>“需求”)是常见的,而供暖不足(即,‘‘supply” 这篇文章发表在《建筑与环境》上[41]。其次,根据IEQ的时空和动态特征,对个别建筑的IEQ性能进行了详细的分析和有针对性的诊断。本文的工作可以帮助建筑运营商在实践中提高IEQ。第三,研究了主观和客观IEQ数据之间的相关性,为研究人员确定最满意的IEQ参数以及乘员对IEQ控制的实际需求提供了由于关于第一个应用程序的报告已经发布,因此这里将不进一步讨论第一个应用程序。相反,以下部分提供了第二和第三应用的一些示例。4.1. 针对单个建筑物的基于对同一建筑内多个空间的长期持续IEQ监测,我们进行了针对性的IEQ诊断,可以告诉建筑运营商何时何地IEQ性能不足。在这里,我们提出了两个例子,IEQ诊断的帮助下,IBEM,一个在办公室和其他医院4.1.1. 案例1:某办公楼所选办公楼位于天津(寒冷地区)。楼高五层,总建筑面积5700平方米.我们在一楼、中间层、见图7。 受监控建筑物的地理位置和类型分布。Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218226还有顶楼开放式办公室和不同朝向的私人办公室被选为主要的测量空间。连续监测一年。本文选取2017年7月的数据,对夏季室内热性能进行诊断,如图所示。8 .第八条。对于每个空间,收集了7月份所有工作日同一小时内的所有数据然后将这些数据划分为不同的温度范围分区,并计算每个分区在同一小时内的月平均比例最后,以叠加条形图的形式给出了各小时内温度分配比例的日变化这样,计算结果就能代表一个月内室内热环境的综合此外,该方法允许清楚地看到变化和分布特征,而不是提供平均的单个指数。如图8所示,东部的私人办公室和南部的开放式办公室具有良好的热性能。然而,北部开放式办公室和西部私人办公室的室内空气温度在白天通常高于舒适区(> 28 °C)。至于西边的私人办公室,下午的时候,由于夕阳透过玻璃幕墙照射进来的强烈阳光,热问题就严重多了。此外,由于前门经常打开,这些热环境诊断的结果被反馈给建筑运营商,并进行相应的改造,以提高居住者4.1.2. 案例2:某医院建筑在2019冠状病毒病(COVID-19)流行期间,IBEM被用于医院建筑中进行实时IEQ诊断室内环境风险预警。CO2和PM2.5浓度是值得关注的关键参数:①CO2浓度反映通风性能;②PM2.5浓度反映室内空气洁净度和过滤系统的净化效果。本文选取武汉市某医院(HSCW区)为例,介绍了基于IBEM的室内空气品质诊断结果建筑面积为22154平方米.共24台IBEM设备被部署在几乎所有类型的不同功能的房间中,包括住院病房、急诊室、咨询室、药房、办公室、护士站、更衣室、休息室和过道。从2020年3月14日开始,每隔5分钟进行一次持续IEQ监测由于数据采集具有较高的时空分辨率,基于空间插值方法得到了各时刻的室内空气品质动态场。本研究使用三角测量和线性插值来为样本位置之间的空白区域赋值图9示出了在一个典型的一天内医院的IAQ动态场。该领域的截图只显示在白天发现空气质量差的时候结果发现,通风不足(高CO2浓度)主要发生在住院病房.然而,空气净化不足的问题(高PM2.5浓度)可能发生在几乎每个空间,例如污染区(即,住院病房等),半污染区(即,治疗室、过道等),和清洁区(即,更衣室、办公室等)。根据对医院内空气质量的诊断结果,可以准确定位问题出现的位置和时间,从而及时改进相应的通风和净化策略。因此,IBEM为预防和控制医院室内空气气溶胶的感染风险提供了技术支持见图8。 某办公楼热环境的目标诊断。Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218227··图9.第九条。医院建筑物室内空气质量场的动态诊断(由于图形交换格式(GIF)动画无法在此图中显示,因此选择了一天的测量结果和某些时刻的几个屏幕截图作为示例)。4.2. 主观和客观IEQ数据先前的研究已经通过在模拟室或模拟空间中的一系列实验探索了人类对IEQ参数的感知和反应[45]。然而,在现实生活场景中的主观感觉和客观参数之间的关系往往是不同的,在气候室或模拟空间,因为人们的活动和行为是不受控制的实际建筑物因此,有必要研究自然条件下居住者基于IBEM及其通过移动界面进行信息交互和反馈的功能,我们收集了2425个建筑住户对IEQ的满意度投票,这些投票与相关时间和地点的环境参数相匹配。乘客投票使用7分制,“+3”表示“非常满意”,“-3”表示“非常不满意”。分析比较了不同IEQ条件下居住者满意度的分布情况。下面的研究结果显示了室内空气温度和二氧化碳浓度是如何影响居住者满意度的。4.2.1. 室内空气温度如何影响热满意度?中国北方和南方的气候和暖通空调系统的差异会影响热体验和偏好。因此,收集到的居住者投票被分成两部分:来自严寒和寒冷地区的居住者被聚集起来代表北方组,而来自HSCW和HSWW地区的居住者代表南方组。比较两组在夏、冬季不同室内空气温度条件下的热满意度投票,如图10所示。进行统计学检验(如果差异具有统计学显著性,则用星号(P0.05)或两个星号(P0.01)标记。此外,满意的居住者的百分比(即,从“0”到“+3”的投票数),满意居住者的预测百分比计算基于假设:①平均辐射温度等于气温,②风速小于0.2 m·s-1,③人体代谢率为1.0 Met(1 Met = 5 8.2W·m-2),③服装隔热性能夏、冬均为0.5,1.0Clo(1Clo = 0.155m2KW-1)。在夏季,24-26 °C是北部和南部群体最满意的热条件。 然而,北方群体对凉爽条件的接受程度低于南方群体。当室内空气温度低于22 °C时,北方组的热满意度下降幅度大于南方组(<温度在20-22 °C时P0.05;温度低于20 °C时P0.01)<。与PMV-PPD模型相比,当气温低于22 °C时,北部组的满意居住者百分比低于基于模型的预测。这一结果表明,我国北方地区建筑在夏季热环境控制中应避免过冷问题。否则,居住者的满意度将急剧下降,以及能源浪费的问题。在冬季,南部组的热满意度随气温变化更平稳,它们之间的关系符合PMV-PPD模型。然而,由于生活在在多年的集中供暖环境中,来自中国北方的居住者对冬季的热条件更为挑剔。 只要气温不在20-<<26 °C范围内,北方群体的实际热满意度就会显著下降,这一结果远低于南方群体和PMV-PPD预测结果(温度低于18 °C时P 0.05;温度在18-20 °C和26 °C以上时P 0.01)。这一结果表明,中国北方地区建筑居住者对冬季热环境的适应范围较窄。因此,在中国北方的居住者中,在冬季实现高满意度的温度控制是具有挑战性的。4.2.2. 室内二氧化碳浓度如何影响空气质量满意度?在研究二氧化碳浓度和居住者对空气质量满意度之间的关系之前,首先需要区分建筑物的通风方式。建筑在中国Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218228见图10。室内空气温度与居住者热满意度之关系。蓝色代表北方组(严寒/寒冷区),红色代表南方组(HSCW/HSWW区),绿色代表PMV-PPD模型预测结果根据通风类型的不同,一般分为A型和B型。A型是指可以开窗自然通风的建筑,B型是指全年采用机械通风的建筑。图11显示了不同CO2浓度下居住者对室内空气满意度的投票,并给出了A型和B型建筑之间的比较,采用Wilcoxon-Mann-Whitney检验进行了测试结果发现,无论居住在A型还是B型建筑中,在不同CO2浓度水平下,室内空气品质的平均满意度都在一个小范围在任何CO2浓度水平下,然而,所有数据组的投票均为这一结果表明,人们对CO2浓度并不十分敏感,很难通过提高客观绩效来提高从节能的角度来看,将CO2浓度维持在很低的水平是没有必要的,只要不超过1000 ppm的限值就行。然而,建筑类型A中的居住者似乎比建筑类型B中的居住者对相对高的CO2当CO2浓度高于800ppm时,A型建筑的居住者对空气质量的满意度显著低于B型建筑(P0.01)。5. 讨论上述案例研究的大规模应用和结果表明,IBEM可以有效地用于IEQ监测、反馈、诊断和改进。然而,类似的IEQ监测工具和系统可以在其他研究中找到为了清楚地显示不同系统的优缺点,本节从传感器多样性、集成性、可扩展性、数据平台、反馈与交互五个方面进行了比较,如表5所示[19● 传感器的多样性:在这方面,IBEM表现不佳,因为它只包括空气温度,RH,CO2,PM2.5和照度的传感器,而没有声学和其他空气质量参数。其他一些系统选择更多的传感器进行更全面的IEQ监测。例如,SAMBA[23,24]除了IBEM中的上述五个参数外,还测量全球温度、空速、声压级、CO、甲醛和TVOC更广泛地说,Liu等人[51]和Dai等人[52]介绍的IEQ系统甚至监测患者整合:除了少数研究[51,52]直接使用多个单独的市场设备进行IEQ监测外,大多数系统(包括IBEM)都开发了一个●Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218229见图11。室内CO2浓度与居住者空气质量满意度的关系。蓝色代表建筑类型A的居住者投票,红色代表建筑类型B的居住者投票;显著性检验:**P 0.01。表5IBEM与其他智能IEQ监测工具和系统的比较系统国家传感器的多样性集成可扩展性数据平台反馈和交互阿里等。[21]美国≥6p p× ×Ali等[47]美国≥ 7ppp×Karami等人[19]美国9p× ×× Sun et al.[48]西班牙12p p×× Arroyo et al.[49]西班牙4p p×× Perez et al.[20]德国3p×p×Parkinson et al.[23,24]澳大利亚10p p p×Moreno-Rangel等人英国5p×p×Liu等人[51]/Dai等人[52]中国IBEM China 5×p××p p‘‘硬件解决方案,将一套传感器集成到一个“盒子”中这种集成化的发展也适合于大规模的生产和应用。可扩展性:IBEM不支持传感器自定义,其功能对于不同的场景不灵活其他一些例如,OSBSS[21]使用基于Arduino平台的开源硬件和软件设计和构建。其所有传感器都是可定制的,这使得更灵活的成本效益同步大量的IEQ测量。Sun等人开发的IEQ系统[48]是另一个具有高级可扩展性的例子。它由多个模块化传感器组成,用户可以通过简单的插件自由选择不同的传感器。数据平台:这方面在IBEM和许多其他系统中得到了很好的介绍[20,23,24,47,50随着通信和Web服务技术的发展,越来越多的研究提供了一个软件层,最终用户可以在其中访问数据,接收建议,并评估其构建环境的性能。反馈和交互:与其他工具和系统相比,这是IBEM的一个重要优势。大多数系统只能向用户显示测量的IEQ性能,而不能充分地建立了居住者与其环境之间的信息交互的路径。然而,IBEM立即向建筑物使用者呈现实时IEQ条件,同时收集他们的主观反馈。这种反馈对于需求控制至关重要,可用于实现高水平的居住者满意度和低能耗。此外,IEQ上的双向数据流在建筑环境领域创造了新的研究机会和更多价值。例如,Zhuang等人[53,54]发现,交互式反馈将建筑物居住者的IEQ控制风格从习惯驱动模式转变根据这些比较结果,IBEM在集成和数据平台层面上表现更好,特别是在反馈和交互方面,但在传感器多样性和可扩展性方面表现较差。本研究还存在其他局限性,需要在今后的工作中加以改进。首先,没有提出科学、简化的IBEM部署方案。尽管IBEM支持经济高效的构建环境测量,但仍然需要部署许多现场设备-这是一项主要依赖于手动经验的任务。基于不同场景下建筑物的实测大数据,有望识别耦合度p●●●Y. 耿,Z.张,J.Yu等人工程18(2022)218230不同采样位置之间的IEQ数据的关系,这可以减少不必要的设备。届时,我们将能够基于有限数量的设备实现IEQ的全场监控,并将IBEM部署方法从基于经验的模型转变为数据驱动的模型。其次,IBEM不能自动与环境控制系统连接,限制了其IEQ优化应用.我们仍在努力将实时IEQ监测记录和乘客满意度评级与智能控制系统相结合。6. 结论本文介绍了一种智能IEQ监测与反馈系统(IBEM),并给出了其现场验证和几个应用案例。IBEM硬件仪表将空气温度、RH、CO2、PM2. 5、照度传感器集成到一个小型设备中,大幅降低成本,提高部署效率。该集成IEQ监测装置的性能和精度已通过与参考传感器的共定位实验进行了测试。IBEM装置与其对应物具有很强的相关性,具有轻微的偏差(R2> 0.97,斜率在1.01和1.05之间)。在软件设计方面,IBEM可以实现无线数据传输和云存储。更重要的是,两种类型
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