基于舒適行為的空調控制系統設計

1、引言

自從上世紀70年代Fanger以人體熱舒適方程和ASHRAE七點(diǎn)標度為出發(fā)點(diǎn)提出熱舒適評價(jià)指標DDPMV指標之后，世界各國對熱舒適的研究進(jìn)入了一個(gè)全新時(shí)期，特別是在此標準基礎上進(jìn)行的控制研究為人們提供了更舒適的室內環(huán)境。然而隨著(zhù)生活水平的提高，人們對室內環(huán)境有了更高的要求，同時(shí)伴隨著(zhù)節能的大范圍推廣，要求我們不僅要滿(mǎn)足人們的舒適性還要注意節能。

影響人體的室內熱濕環(huán)境由多個(gè)要素構成，對環(huán)境側而言，除了空氣的溫度、濕度和流速外，還有環(huán)境對人體的平均輻射溫度;對人體側而言，有人體的代謝產(chǎn)熱量和衣著(zhù)熱阻［3］。人在環(huán)境中的冷熱感覺(jué)是這六大因素對人體共同作用的結果［4］。就四個(gè)環(huán)境變量而言，對人體舒適感的影響程度是不同的，而且對系統能耗的影響程度也各不相同。因此完全可以在等舒適的前提下，調節各個(gè)參數的組合使系統的能耗最?。?］。例如在夏季，當其他因素不變，調節溫度與風(fēng)速的組合。由于氣流是一種最廉價(jià)的空調方式，如果在提高風(fēng)速的同時(shí)提高室內空氣溫度，這不僅有利于節能并且能大大改善室內的空氣品質(zhì)。這是因為提高室內空氣溫度，室內外的空氣溫差就會(huì )變小，通過(guò)建筑圍護結構的傳熱量就小，空調系統的負荷相應的也要減少。在一般情況下，室內外氣溫差每減少1℃，通過(guò)圍護結構的傳熱量將下降3％－10%;在冬季，提高室內的壁面平均輻射溫度應的降低室內空氣溫度值，通過(guò)維護結構向外界所散失的熱量也就要減少。文獻［1］表明，采用低溫地板輻射采暖系統比對流輻射采暖系統更能滿(mǎn)足人體的熱舒適要求，而且節能率較高。因此舒適控制比傳統溫度控制具有更大的靈活性，可以實(shí)現舒適與節能的和諧統一。

2、傳統的熱舒適控制方法

2.1 熱舒適指標的間接控制方式

傳統的熱舒適控制主要包括熱舒適指標的間接控制方式和直接控制方式，文獻［7］表明，所謂熱舒適指標的間接控制方式，就是根據PMV指標實(shí)時(shí)地確定各環(huán)境變量的設定值。在這種控制方式中熱舒適指標并不是直接的被控參數，而是選擇某一個(gè)環(huán)境變量作為直接受到控制的參數。在這里，PMV指標僅僅只是一個(gè)評判的標準，通過(guò)實(shí)時(shí)計算出PMV值或采用PMV智能舒適傳感器測量得出PMV值，判斷是否在舒適的范圍內，如不是，則調節相應的執行機構使PMV值處于舒適的范圍之內。

風(fēng)速與溫度的組合是實(shí)現熱舒適指標控制的最佳選擇，不同的組合會(huì )有不同的控制方式。在熱舒適指標的間接控制方式中常見(jiàn)的有兩種情況：（1）根據室內風(fēng)速、平均輻射溫度以及空氣濕度確定空氣溫度的設定值;（2）根據室內空氣溫度、平均輻射溫度以及空氣濕度確定風(fēng)速的設定值。這兩種間接控制方式的控制原理如圖1所示。

圖1 以溫度為直接被控參數的間接熱舒適指標控制方式

與僅有溫度控制的控制系統相比有以下不同：（l）溫度的設定值，由PMV控制器實(shí)時(shí)確定。從表面上看系統仍然是簡(jiǎn)單的溫度設定控制，但溫度值的設定卻是考慮了其他影響因素對人體熱舒適的作用。（2）增加的PMV控制器部分必須能夠對其他環(huán)境參數進(jìn)行測量，同時(shí)還要允許根據實(shí)際對人體新陳代謝率與服裝熱阻進(jìn)行設定。

為實(shí)現系統的節能，溫度的設定值可以提高到28℃，同時(shí)可以采取增加風(fēng)速以及紊流度的辦法來(lái)補償因溫度升高而引起的PMV值的增加。由于氣流本身是一種廉價(jià)的空調方式，提高室內空氣溫度的設定值可以大幅度的降低空調系統的能耗。其中風(fēng)速傳感器是不必要的，因為可以認為風(fēng)機的轉速與風(fēng)速之間存在對應的關(guān)系。但是必須要注意的是風(fēng)速的增大不能無(wú)限制，一般認為可以控制在1m/s以下;而且風(fēng)速增加所引起的噪聲問(wèn)題也必須得到重視。

其中以空氣溫度作為直接被控參數的間接PMV控制在平均輻射溫度與空氣溫度差別較大、風(fēng)速的調節受到限制的場(chǎng)合，如列車(chē)，長(cháng)途汽車(chē)等的空調系統中有很好的適用性。而以風(fēng)速為直接被控參數的控制系統則在易于對風(fēng)速進(jìn)行調節的場(chǎng)合得到應用。這兩種方法都不僅能夠提高環(huán)境的熱舒適性，而且可以實(shí)現相當大比重的節能。與此同時(shí)使用熱舒適指標控制的間接方式可以很好地與原有空調系統常見(jiàn)的溫度控制系統結合起來(lái)。只需要在原有控制系統的基礎上增加一個(gè)PMV的控制器，就可以很容易地實(shí)現空調系統的熱舒適指標控制。

2.2 熱舒適指標的直接控制方式

熱舒適指標控制的直接法就是用熱舒適指標直接作為被控參數，來(lái)對空調系統進(jìn)行控制。在實(shí)現形式上也是通過(guò)對溫度與風(fēng)速的控制來(lái)實(shí)現的。在熱舒適指標的直接控制方式中，PMV指標并不只是系統的一個(gè)評價(jià)標準，而是整個(gè)系統的輸入，通過(guò)PMV指標與溫度和風(fēng)速的內在聯(lián)系，當PMV指標變化時(shí)，調節溫度與風(fēng)速的相應執行機構，使PMV值在舒適的范圍之內。相應的在熱舒適指標的直接控制方式中，［7］也有兩種情況：（1）根據室內PMV值確定空氣溫度的設定值;（2）根據室內PMV值確定溫度與風(fēng)速的設定值。其控制原理如圖2所示。

圖2 基于PMV指標的溫度與風(fēng)速的再設控制

其中第二種方式是在第一種方式的基礎上加上了對風(fēng)速的控制。與間接方式相比，直接法的控制目標從溫度與風(fēng)速的控制轉變到衡量人體熱舒適的評價(jià)指標PMV的控制，這實(shí)際上是對現有空調系統的一種革新，不僅涉及到理論上的問(wèn)題，更是一種觀(guān)念上的轉變，體現了“以人為本”的空調方式全新理念?？照{系統的控制不應該只是對溫度、風(fēng)速等一些物理量的控制，更應該是對人的控制。一但人體的舒適感發(fā)生變化，就應該調節相應的執行機構來(lái)滿(mǎn)足人體熱舒適的需要，因此這種方式不僅能始終滿(mǎn)足人體對熱舒適的需要，并且能實(shí)現控制隨人體舒適感的變化而變化。

3、新出現的熱舒適控制方法

3.1 基于模糊自適應控制器的智能空調系統

由于PMV指標的非線(xiàn)性特征，當它進(jìn)行監控暖通空調設備時(shí)，往往不能處理一些復雜的問(wèn)題，因此為了克服這些問(wèn)題，我們引入了自適應的模糊控制理論［4］。如圖3 所示。

圖3 基于模糊自適應控制器的智能空調系統框圖

為了改善調節系統的特性，在原有的控制模型基礎上加入了自適應網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)為了使系統更加的穩定可靠，我們還修改了一些控制規則。給原始模型添加有適應性的網(wǎng)絡(luò )后，就可以改變PID積分微分模塊的參數值;因此這些將取決于“階躍響應”的峰值，這樣依次進(jìn)行，將會(huì )始整個(gè)系統獲得更好的穩定性。

采用復合傳感器測量四個(gè)環(huán)境因素：溫度、相對濕度、氣流速度和平均輻射溫度;把采集到的數據送入PMV網(wǎng)絡(luò )，PMV網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)的計算PMV指標，這個(gè)指標就作為空調控制的目標，如果PMV指標在合理的范圍內，那么控制器就可以繼續運行而不需要修正，否則，控制器就來(lái)控制空調，以改變氣流速度、氣流方向等等達到理想的舒適環(huán)境。

圖4 新興方法的應用示例

3.2 依據用戶(hù)需求在線(xiàn)實(shí)時(shí)的調節

文獻［5］總結以往的熱舒適控制方法，無(wú)論是從節能還是從用戶(hù)的熱感覺(jué)來(lái)看，室內熱環(huán)境并不是最優(yōu)的，主要原因在于空調控制系統并沒(méi)有把人的需求考慮在內，因此我們提出一個(gè)新的空調控制方法。如圖4所示。

該系統主要由用戶(hù)機和服務(wù)器組成，服務(wù)器主要負責用戶(hù)機與空調控制器的在線(xiàn)通訊。中間服務(wù)器會(huì )收集房間內各個(gè)用戶(hù)機傳來(lái)的用戶(hù)請求并且通過(guò)LBC來(lái)決定要設置的溫度值，然后把這些命令發(fā)給空調控制器來(lái)調節室內的熱舒適情況。用戶(hù)機就像終端一樣把用戶(hù)的請求傳送給空調系統，同時(shí)他們也會(huì )從服務(wù)器那里得到有關(guān)整個(gè)系統的節能情況和其他用戶(hù)的一些需求情況。

在用戶(hù)的輸入屏幕上有：“稍暖”“稍涼”兩個(gè)請求選項，“很不舒適”、“不舒適”、“ 有點(diǎn)不舒適”、“中性”、“有點(diǎn)不舒適”、“不舒適”、“很不舒適”七個(gè)熱舒適選項，還有“熱”、“暖”、“有點(diǎn)暖”、“中性”、“有點(diǎn)涼”、“涼”、“ 冷”七個(gè)熱感覺(jué)選項，如果用戶(hù)想讓室內環(huán)境稍暖些，則可以點(diǎn)擊“稍暖”，同理點(diǎn)擊“稍涼”，通過(guò)這個(gè)輸入屏用戶(hù)可以把他們的請求和所期望的熱感覺(jué)發(fā)送給中間服務(wù)器。當然服務(wù)器收集用戶(hù)的信息后會(huì )通過(guò)一系列的算法來(lái)確定控制器到底要怎樣工作等一系列問(wèn)題。

在這個(gè)系統中，各種信息的反饋［5］被認為是很重要的一部分，反饋環(huán)節的目的是讓用戶(hù)們能夠接受這個(gè)系統，同時(shí)也能激發(fā)用戶(hù)參與節能。

4、總結

熱舒適指標控制實(shí)際上是傳統溫度控制的發(fā)展，把空調系統的控制目標從單純的室內空氣溫、濕度控制轉變到一種能衡量熱環(huán)境對人體綜合作用效果的熱舒適指標的控制上來(lái)，使空調系統的控制隨著(zhù)人體舒適感的變化而變化，并且在保持人體舒適感的前提下，調節各個(gè)參數的組合，使系統的能耗最小。因此，采用舒適控制，能夠在最大的程度上實(shí)現舒適與節能的統一。

雖然國外在舒適控制的研究上己經(jīng)有較長(cháng)的一段時(shí)間，并且有關(guān)舒適控制的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世，但在我國還處于起步階段。隨著(zhù)對舒適與節能要求的日益提高，實(shí)現舒適控制也是HVAC系統的一個(gè)重要趨勢之一。在現有的研究基礎之上有必要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（１）熱環(huán)境研究是暖通空調的基礎研究之一，不同的種族、區域以及生活習慣對舒適的標準并不相同。因此應根據我國的實(shí)際情況，在綜合國外研究的基礎上開(kāi)展針對我國人種特點(diǎn)的熱生理學(xué)理論與實(shí)驗研究。

（２）由于PMV指標的多變量、非線(xiàn)性特點(diǎn)以及HVAC的復雜性，在實(shí)現上采用經(jīng)典控制理論有一定的難度。因此需進(jìn)一步加強對各種高級智能控制策略的研究，以期更好地發(fā)揮舒適控制的優(yōu)越性。