一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚及控温方法与流程

本发明涉及采光天棚领域，特别涉及一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚及控温方法。

背景技术：

采光天棚，又称采光顶，是建筑屋顶的一种形式，现代化建筑很多都采用了采光天棚，如大型商场、办公楼等建筑，这类建筑对其内部环境的舒适性具有较高要求，一般都配备有空调系统进行制冷或制热，使室内保持恒温，但是这也带来了极大的空调能耗问题，采光天棚作为室内和室外热交换的中间体，在建筑内恒温环境的保持中起到重要作用。

顺应上述趋势，双层采光天棚逐渐进入人们的视野，图4示意了现有技术中的一种双层采光天棚，它包括内层玻璃1、外层玻璃2以及两者之间形成的中间隔层3，中间隔层3构成空气缓冲层，减少室内外之间的热交换，使室内温度相对稳定，减少室内热能的损失，从而节约能源和空调运行维修费用，但是这种双层采光天棚，空调系统在开启制冷或制热时能耗依旧较大，节能性能不足，并且工作模式单一，对外界环境变化没有应变能力。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，具有更智能的工作模式，提高节能效果及对环境变化应变能力。

本发明的上述第一目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，包括一体化的单元式模块，单元式模块在天棚安装结构上一体式安装，单元式模块包括内层玻璃和外层玻璃，内层玻璃和外层玻璃之间为中空隔层，其特征是：中空隔层的两侧边均分别设有循环风口，

内层玻璃设有通风口，所述循环风口、通风口均设有用于启闭的启闭机构；

所述一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚还包括单片机，所述单片机耦接有室内温度传感器，设置在室内，用于检测室内温度并向单片机反馈室内温度信号Ti；

隔层温度传感器，设置在中空隔层，用于检测中空隔层温度并向单片机反馈隔层温度信号Tm；

室外温度传感器，设置在室外，用于检测室外温度并向单片机反馈室外温度信号To；

PM2.5传感器，设置在室外，用于检测室外空气质量并向单片机反馈空气质量信号Vw；

温控装置，设置在中空隔层内的天棚安装结构上，受控于单片机以制冷或制热；

驱动装置，设置在启闭机构上，受控于单片机以驱动启闭机构启闭；

通讯装置，用于与空调系统的控制面板通讯；

所述单片机内部具有：

状态读取单元，用于通过通讯装置获知室内空调系统的工作状态为制冷或制热；

空气质量比较单元，用于将空气质量信号Vw与预设的安全空气质量信号Vs比较得到空气质量比较结果；

制冷控制单元，用于在状态读取单元读取到空调系统处于制冷状态时启动，向温控装置发送制冷信号，并将室内温度信号Ti与隔层温度信号Tm比较，将隔层温度信号Tm与室外温度信号To比较，得到温度比较结果，并结合空气质量比较结果和温度比较结果确定循环风口和通风口的启闭方案

生成并向驱动装置发送相应的控制信号；

制热控制单元，用于在状态读取单元读取到空调系统处于制热状态时启动，向温控装置发送制热信号，并将室内温度信号Ti与隔层温度信号Tm比较，将隔层温度信号Tm与室外温度信号To比较，得到温度比较结果，并结合空气质量比较结果和温度比较结果确定循环风口和通风口的启闭方案

生成并向驱动装置发送相应的控制信号；

所述驱动装置响应于制冷控制单元或制热控制单元发出的控制信号驱动启闭机构启闭以执行对应的启闭方案；

所述温控装置响应于制冷信号制冷，响应于制热信号制热。

采用上述技术方案，通过温度传感器检测室内、隔层、室外的温度，并结合PM2.5传感器检测到的空气质量作为判断采取何种工作模式的依据，而要达到更好的节能效果，关键在于在达到需要的室内环境温度的过程(制冷或制热)中对非电能驱动的自然热交换的应用，降低空调系统负荷以及在达到所需室内环境温度时，维持稳定的温度环境，使空调系统不要频繁启停，由此，因为天气、建筑内环境多变，使得室内、中间隔层、室外具有多种组合情况，而针对每种组合情况，均有相应的节能方案应对，处于制冷模式时，当Ti＞Tm＞To，该情形通常在室内通风效果不好，且在中间隔层受到长时间太阳热辐射时发生，此时室外环境温度相对室内、中间隔层较低，同时开启通风口以及循环风口，中间隔层内形成冷热气流循环，相对较冷的气流补充入中间隔层内，温控装置启动制冷，能进一步促进冷热气流循环，加快降低中间隔层温度，同时冷气流也通过通风口进入室内，与室内热空气直接形成冷热流交汇，能迅速降低室内温度，使得室内的空调系统在制冷过程中的负荷降低，做功减少，起到节能的效果，而后，室内和中间隔层温度在空调系统、温控装置以及冷热气流循环作用下降低，Ti、Tm、To的关系将变换到新的状态，此时相应的启闭方案也会改变；当Ti＞Tm＝To时，中间隔层温度与室内相等，此时不发生冷热气流循环，难以使中间隔层降温，但是室内温度较高，开启通风口、循环风口能使室外的冷气流流入室内，与室内热空气直接形成冷热流交汇，能迅速降低室内温度；当Ti＞Tm＜To时，此时在太阳辐射较弱或没有的情况下，而室内和室外环境变化较快，如室内设备、人流量剧增，活动增大温度升高，在阴天，室外城市热流、人流车流造成的局部性高温，此时关闭循环风口，防止室外热气流流入中间隔层，开启通风口，使中间隔层的冷气流和室内的热气流交汇，降低室内温度，降低空调系统能耗；当Ti＝Tm＞To时，此时室内和中间隔层的温度较高，与Ti＞Tm＞To时同理，开启通风口、循环风口；当Ti＝Tm＝To时，室内、中间隔层、室外气流温度接近，气流交汇难以起到节能效果，并且在空调系统和温控装置制冷作用下，温度将会较快地降低，建立新的稳态，因此关闭通风口、循环风口，帮助新稳态的建立；当Ti＝Tm＜To时，室外温度较高，关闭循环风口阻热，关闭通气口，帮助快速建立新稳态；当Ti＜Tm＞To时，中间隔层由于太阳热辐射呈现高于室内以及室外的温度，此时关闭通风口，避免热气流进入室内造成室内人员不适，开启循环风口，通过冷热气流循环使中间隔层降温；当Ti＜Tm＝To，关闭通风口、循环风口，避免热气流进入室内；当Ti＜Tm＜To，关闭通风口、循环风口，避免热气流进入中间隔层与室内，维持稳态；以上包括了Ti、Tm、To的所有组合方式，而对于制冷模式，Ti＜Tm＜To，关闭通风口、循环风口为制冷模式时的终态以及稳态，而其他情况均为暂态，也是各种初始条件不一样的制冷过程中的必经过程，由此，在单片机控制下，温控装置制冷，和空调系统共同作用下，始终将Ti、Tm、To往Ti＜Tm＜To的稳态去建立，并且在每当Ti、Tm、To的组合方式改变时，单片机控制驱动装置执行对应的启闭方案，整个制冷以及达到目标温度维持稳态的过程，多工作模式根据检测结果，自动切换，在制冷初阶段，利用自然热交换快速降温，降低空调系统能耗以节能，达到稳态时，室内、中间隔层、室外温度呈现梯度，两两间温差较小，热传递速率得以降低，节约能耗，并且两两间只能通过玻璃热传递而没有直接的冷热交汇，温度环境可以维持相对稳定，减少空调系统的频繁启停，实现节能，同时在工作模式切换过程中，室外的空气质量作为考虑因素，空气质量作为第一优先级，空气质量超标，循环风口关闭，保障安全，对外界环境的变化具有应变能力，整个系统智能、节能；同理，制热为制冷的逆过程，也能推导得到等同的有益效果。

进一步，所述一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚还包括上位机，所述单片机通过总线连接上位机。

采用上述技术方案，单片机通过总线与上位机信息交互，可以由上位机集中监控。

进一步，所述启闭机构为百叶窗。

采用上述技术方案，百叶窗具有较好的隐蔽性和观赏性，安装较为便捷。

进一步，驱动装置包括驱动模块和电机，所述电机的驱动轴与百叶窗的转轴连接，所述驱动模块耦接并受控于单片机以驱动电机正反转。

采用上述技术方案，电机由驱动模块驱动正反转，带动百叶窗的转轴正反转，实现通风口、循环风口的启闭。

进一步，通讯装置为无线通讯模块。

采用上述技术方案，空调控制系统自带无线通讯功能，通过无线通讯方式获取工作状态信息，减少布线成本。

进一步，所述室内温度传感器、隔层温度传感器、室外温度传感器的型号均为DS18B20。

采用上述技术方案，DS18B20体积小，适于各种环境安装，对恶劣环境抵抗力强，且为数字输出，节约了模数转换，硬件开销低，采用三线制连接单片机，简化方案，以及还具有抗干扰能力强，精度高的特点。

进一步，所述状态读取单元还能够读取空调系统的工作状态为待机；

所述单片机还包括待机控制单元，用于在状态读取单元读取到空调系统处于待机状态时启动，向温控装置发送待机信号；并在

当空气质量比较结果为Va＜Vs时，输出同时开启通风口、循环风口的控制信号；

当空气质量比较结果为Va≥Vs时，输出同时关闭通风口、循环风口的控制信号。

采用上述技术方案，当空调待机时，室外环境允许下，即空气质量比较结果为Va＜Vs，开启通风口、循环风口以使室内外通风，有益于室内空气流通，有助于健康。

本发明的第二目的在于提供一种控温方法，具有更智能的工作模式，提高节能效果及对环境变化应变能力。

本发明的上述第二目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种控温方法，基于上述的一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚实现，包括

步骤一：通过设置在室内的室内温度传感器检测室内温度并向单片机反馈室内温度信号Ti；

通过设置在中空隔层的隔层温度传感器检测中空隔层温度并向单片机反馈隔层温度信号Tm；

通过设置在室外的室外温度传感器检测室外温度并向单片机反馈室外温度信号To；

通过设置在室外的PM2.5传感器检测室外空气质量并向单片机反馈空气质量信号Vw；

通过通讯装置与空调系统的控制面板通讯以使单片机获知室内空调系统的工作状态为制冷或制热；

步骤二：当单片机获知空调系统处于制冷状态时，发出制冷信号；

将室内温度信号Ti与隔层温度信号Tm比较，将隔层温度信号Tm与室外温度信号To比较，得到温度比较结果；

将空气质量信号Vw与预设的安全空气质量信号Vs比较得到空气质量比较结果；

结合空气质量比较结果和温度比较结果确定循环风口和通风口的启闭方案

生成并向驱动装置发送相应的控制信号；

当单片机获知空调系统处于制热状态时，发出制热信号；

将室内温度信号Ti与隔层温度信号Tm比较，将隔层温度信号Tm与室外温度信号To比较，得到温度比较结果；

将空气质量信号Vw与预设的安全空气质量信号Vs比较得到空气质量比较结果；

结合空气质量比较结果和温度比较结果确定循环风口和通风口的启闭方案

生成并向驱动装置发送相应的控制信号；

步骤三：通过在中空隔层内的天棚安装结构上设置温控装置，由温控装置响应于制冷信号制冷，响应于制热信号制热；

通过驱动装置响应于控制信号驱动启闭机构开启或关闭通风口、循环风口以执行对应的启闭方案。

进一步，步骤一中，还包括通过通讯装置与空调系统的控制面板通讯以使单片机获知室内空调系统的工作状态为待机；

步骤二中，还包括当单片机获知空调系统处于待机状态时，向温控装置发送待机信号；并在当空气质量比较结果为Va＜Vs时，输出同时开启通风口、循环风口的控制信号；

当空气质量比较结果为Va≥Vs时，输出同时关闭通风口、循环风口的控制信号。

本发明的第三目的在于提供一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，具有更智能的工作模式，提高节能效果及对环境变化应变能力。

本发明的上述第三目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，包括一体化的单元式模块，单元式模块在天棚安装结构上一体式安装，单元式模块包括内层玻璃和外层玻璃，内层玻璃和外层玻璃之间为中空隔层，其特征是：中空隔层的两侧边均分别设有循环风口，所述循环风口设有用于启闭的启闭机构；

所述空气质量感应智能恒温生态采光天棚还包括单片机，所述单片机耦接有

隔层温度传感器，设置在中空隔层，用于检测中空隔层温度并向单片机反馈隔层温度信号Tm；

室外温度传感器，设置在室外，用于检测室外温度并向单片机反馈室外温度信号To；

PM2.5传感器，设置在室外，用于检测室外空气质量并向单片机反馈空气质量信号Va；

驱动装置，设置在启闭机构上，受控于单片机以驱动启闭机构启闭；

所述单片机内部具有：

空气质量比较单元，用于将空气质量信号Va与预设的安全空气质量信号Vs比较；

温控单元，设置于中空层内的天棚安装结构上，受单片机的控制实现制冷模式或制热模式并结合风口启闭方案以实现调节中空层的温度使中空层温度维持在预设温度信号Tx，所述的方案包括

当Va大于等于Vs时，单片机控制启闭机构关闭；

当Va小于Vs时，单片机具有以下三种运行策略：

运行策略一、在室外温度传感器检测到环境温度To＞25摄氏度且To＞Tm＞Tx时，单片机控制启闭机构动作，使循环风口开启，在烟囱效应的作用下带走一部分热量以降低中空层的温度直至Tm趋于一稳定值，若Tm＞Tx，则单片机控制循环风口关闭并启动温控单元进行制冷模式，使得Tm＝Tx；

运行策略二、在室外温度传感器检测到环境温度To为22-25摄氏度时，单片机控制循环风口开启，以实现循环通风，使得Tm＝Tx；

运行策略三、在室外温度传感器检测到环境温度To＜22摄氏度时，单片机控制启闭机构动作，使得循环风口处于关闭状态，并启动温控单元进行制热模式，使得Tm＝Tx。

综上所述，本发明具有以下有益效果：结合室内、中间隔层以及室外温度，空气质量检测结果，使多种工作模式智能切换，能够在空调系统开启制冷或制热时，利用自然热交换快速降温或升温，降低空调系统能耗，在接近稳态时，室内、中间隔层、室外相互隔离，两两间保持较小的温差，降低通过玻璃热传递的速率，达到较好的恒温效果，减少空调系统的频繁启停，节约能耗，同时对外界环境变化具有较好的应变能力。

附图说明

图1是实施例的剖视示意图；

图2是单片机及外围的电路部分的原理图；

图3是实施例的系统简图；

图4是现有技术剖视图。

图中，1、内层玻璃；11、通风口；2、外层玻璃；21、循环风口；3、中空隔层；4、百叶窗；5、小型空调；61、室内温度传感器；62、隔层温度传感器；63、室外温度传感器；64、PM2.5传感器。

具体实施方式

实施例一

参见图1，一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，包括机械部分和电路部分，机械部分包括安装在建筑顶部的一体化的单元式模块和由龙骨组成天棚安装结构，单元式模块在天棚安装结构上一体式安装，单元式模块包括内层玻璃1和外层玻璃2，内层玻璃1位于内侧，外层玻璃2位于外侧，两者之间形成中空隔层3，在中空隔层3内的龙骨上安装有小型空调5用以制冷或制热，中空隔层3的两侧设有循环风口21，内层玻璃1设有通风口11，循环风口21、通风口11上均设有百叶窗4，百叶窗4的转轴由电机驱动转动正反转以启闭。

结合图1及图2，电路部分包括单片机，所述单片机连接有安装在室内的天棚连接结构上的室内温度传感器61，用于检测室内温度并向单片机反馈室内温度信号Ti；安装在中空隔层3内的天棚连接结构上的隔层温度传感器62，用于检测中空隔层3温度并向单片机反馈隔层温度信号Tm；安装在室外的天棚连接结构上的室外温度传感器63，用于检测室外温度并向单片机反馈室外温度信号To；安装在室外的下部天棚连接结构上的PM2.5传感器64，用于检测室外空气质量并向单片机反馈空气质量信号Vw；无线通讯模块，用于与空调系统的控制面板通讯，以使单片机获知室内空调系统的工作状态为制冷或制热或待机，并由单片机控制小型空调5相应地也执行制冷或制热或待机。

本实施例中均采用型号为DS18B20的温度传感器，单片机的型号为AT89C51。

单片机将空气质量信号Vw与预设的安全空气质量信号Vs比较得到空气质量比较结果；将室内温度信号Ti与隔层温度信号Tm比较，将隔层温度信号Tm与室外温度信号To比较，得到温度比较结果；并结合空气质量比较结果和温度比较结果确定循环风口21和通风口11的启闭方案；

制冷模式：

制热模式：

待机模式：

Va＜Vs时，同时开启通风口11、循环风口21；

Va≥≥Vs时，同时关闭通风口11、循环风口21；

并由单片机生成控制信号分别发送给设置在通风口11、循环风口21的三个驱动模块，驱动模块为电机正反转驱动电路，以执行启闭方案。

单片机还通过RS232总线连接上位机，参见图3，当室内空调系统启动时，控制面板发出控制信号给空调，同时单片机也与控制面板无线通讯获知空调系统的工作状态，并结合温度检测和空气质量检测控制机械部分执行启闭方案，温度检测和空气质量检测是实时的，这里的实时实质上具有一定时间间隔，依照单片机设定的检测间隔而定，在Ti、Tm、To的相互关系发生变化时，也实时改变启闭方案，在整个室内制冷过程或制热过程或待机过程中，天棚一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚也是动态的过程，同时单片机通过总线与上位机建立联系，多个单片机可以由上位机集中监控，使得更大范围的恒温节能控制更便捷的实现。

节能原理：通过检测室内、隔层、室外的温度，并结合空气质量作为判断采取何种工作模式的依据，而要达到更好的节能效果，关键在于在达到需要的室内环境温度的过程(制冷或制热)中对非电能驱动的自然热交换的应用，降低空调系统负荷以及在达到所需室内环境温度时，维持稳定的温度环境，使空调系统不要频繁启停，由此，因为天气、建筑内环境多变，使得室内、中间隔层、室外具有多种组合情况，而针对每种组合情况，均有相应的节能方案应对，处于制冷模式时，当Ti＞Tm＞To，该情形通常在室内通风效果不好，且在中间隔层受到长时间太阳热辐射时发生，此时室外环境温度相对室内、中间隔层较低，同时开启通风口11以及循环风口2l，中间隔层内形成冷热气流循环相对较冷的气流补充入中间隔层内，温控装置启动制冷，能进一步促进冷热气流循环，加快降低中间隔层温度，同时冷气流也通过通风口11进入室内，与室内热空气直接形成冷热流交汇，能迅速降低室内温度，使得室内的空调系统在制冷过程中的负荷降低，做功减少，起到节能的效果，而后，室内和中间隔层温度在空调系统、温控装置以及冷热气流循环作用下降低，Ti、Tm、To的关系将变换到新的状态，此时相应的启闭方案也会改变；当Ti＞Tm＝To时，中间隔层温度与室内相等，此时不发生冷热气流循环，难以使中间隔层降温，但是室内温度较高，开启通风口11、循环风口21能使室外的冷气流流入室内，与室内热空气直接形成冷热流交汇，能迅速降低室内温度；当Ti＞Tm＜To时，此时在太阳辐射较弱或没有的情况下，而室内和室外环境变化较快，如室内设备、人流量剧增，活动增大温度升高，在阴天，室外城市热流、人流车流造成的局部性高温，此时关闭循环风口21，防止室外热气流流入中间隔层，开启通风口11，使中间隔层的冷气流和室内的热气流交汇，降低室内温度，降低空调系统能耗；当Ti＝Tm＞To时，此时室内和中间隔层的温度较高，与Ti＞Tm＞To时同理，开启通风口11、循环风口21；当Ti＝Tm＝To时，室内、中间隔层、室外气流温度接近，气流交汇难以起到节能效果，并且在空调系统和温控装置制冷作用下，温度将会较快地降低，建立新的稳态，因此关闭通风口11、循环风口21，帮助新稳态的建立；当Ti＝Tm＜To时，室外温度较高，关闭循环风口21阻热，关闭通气口，帮助快速建立新稳态；当Ti＜Tm＞To时，中间隔层由于太阳热辐射呈现高于室内以及室外的温度，此时关闭通风口11，避免热气流进入室内造成室内人员不适，开启循环风口21，通过冷热气流循环使中间隔层降温；当Ti＜Tm＝To，关闭通风口11、循环风口21，避免热气流进入室内；当Ti＜Tm＜To，关闭通风口11、循环风口21，避免热气流进入中间隔层与室内，维持稳态；以上包括了Ti、Tm、To的所有组合方式，而对于制冷模式，Ti＜Tm＜To，关闭通风口11、循环风口21为制冷模式时的终态以及稳态，而其他情况均为暂态，也是各种初始条件不一样的制冷过程中的必经过程，由此，在单片机控制下，温控装置制冷，并且在每当Ti、Tm、To的组合方式改变时，单片机控制驱动装置执行对应的启闭方案，整个制冷以及达到目标温度维持的过程，多工作模式自动切换，在制冷初阶段，利用自然热交换快速降温，降低空调系统能耗以节能，达到稳态时，室内、中间隔层、室外温度呈现梯度，两两间温差较小，热传递速率得以降低，节约能耗，并且两两间只能通过玻璃热传递而没有直接的冷热交汇，温度环境可以维持相对稳定，减少空调系统的频繁启停，实现节能，而在工作模式切换过程中，室外的空气质量作为考虑因素，空气质量作为第一优先级，空气质量超标，循环风口21关闭，保障安全，对外界环境的变化具有应变能力，整个系统智能、节能；同理，制热为制冷的逆过程，同理也能推导得到相同的技术效果。

实施例二

一种一体化空气质量感应智能恒温生态采光天棚，包括一体化的单元式模块，单元式模块在天棚安装结构上一体式安装，单元式模块包括内层玻璃1和外层玻璃2，内层玻璃1和外层玻璃2之间为中空隔层3，其特征是：中空隔层3的两侧边均分别设有循环风口21，所述循环风口21设有用于启闭的启闭机构；

所述空气质量感应智能恒温生态采光天棚还包括单片机，所述单片机耦接有隔层温度传感器62，设置在中空隔层3，用于检测中空隔层3温度并向单片机反馈隔层温度信号Tm；

室外温度传感器63，设置在室外，用于检测室外温度并向单片机反馈室外温度信号To；

PM2.5传感器64，设置在室外，用于检测室外空气质量并向单片机反馈空气质量信号Va；

驱动装置，设置在启闭机构上，受控于单片机以驱动启闭机构启闭；

所述单片机内部具有：

空气质量比较单元，用于将空气质量信号Va与预设的安全空气质量信号Vs比较；

温控单元，设置于中空层内的天棚安装结构上，受单片机的控制实现制冷模式或制热模式并结合风口启闭方案以实现调节中空层的温度使中空层温度维持在预设温度信号Tx，所述的方案包括

当Va大于等于Vs时，单片机控制启闭机构关闭；

当Va小于Vs时，单片机具有以下三种运行策略：

运行策略一、在室外温度传感器63检测到环境温度To＞25摄氏度且To＞Tm＞Tx时，单片机控制启闭机构动作，使循环风口21开启，在烟囱效应的作用下带走一部分热量以降低中空层的温度直至Tm趋于一稳定值，若Tm＞Tx，则单片机控制循环风口21关闭并启动温控单元进行制冷模式，使得Tm＝Tx；

运行策略二、在室外温度传感器63检测到环境温度To为22-25摄氏度时，单片机控制循环风口21开启，以实现循环通风，使得Tm＝Tx；

运行策略三、在室外温度传感器63检测到环境温度To＜22摄氏度时，单片机控制启闭机构动作，使得循环风口21处于关闭状态，并启动温控单元进行制热模式，使得Tm＝Tx。