基于舒適行為的空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

自從上世紀(jì)70年代Fanger以人體熱舒適方程和ASHRAE七點(diǎn)標(biāo)度為出發(fā)點(diǎn)提出熱舒適評價(jià)指標(biāo)DDPMV指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制研究為人們提供了更舒適的室內(nèi)環(huán)境。然而隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境有了更高的要求，同時(shí)伴隨著節(jié)能的大范圍推廣，要求我們不僅要滿足人們的舒適性還要注意節(jié)能。

影響人體的室內(nèi)熱濕環(huán)境由多個(gè)要素構(gòu)成，對環(huán)境側(cè)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(cè)而言，有人體的代謝產(chǎn)熱量和衣著熱阻［3］。人在環(huán)境中的冷熱感覺是這六大因素對人體共同作用的結(jié)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(tǒng)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(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)的組合使系統(tǒng)的能耗最?。?］。例如在夏季，當(dāng)其他因素不變，調(diào)節(jié)溫度與風(fēng)速的組合。由于氣流是一種最廉價(jià)的空調(diào)方式，如果在提高風(fēng)速的同時(shí)提高室內(nèi)空氣溫度，這不僅有利于節(jié)能并且能大大改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。這是因?yàn)樘岣呤覂?nèi)空氣溫度，室內(nèi)外的空氣溫差就會變小，通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量就小，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷相應(yīng)的也要減少。在一般情況下，室內(nèi)外氣溫差每減少1℃，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量將下降3％－10%;在冬季，提高室內(nèi)的壁面平均輻射溫度應(yīng)的降低室內(nèi)空氣溫度值，通過維護(hù)結(jié)構(gòu)向外界所散失的熱量也就要減少。文獻(xiàn)［1］表明，采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)比對流輻射采暖系統(tǒng)更能滿足人體的熱舒適要求，而且節(jié)能率較高。因此舒適控制比傳統(tǒng)溫度控制具有更大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)舒適與節(jié)能的和諧統(tǒng)一。

2、傳統(tǒng)的熱舒適控制方法

2.1 熱舒適指標(biāo)的間接控制方式

傳統(tǒng)的熱舒適控制主要包括熱舒適指標(biāo)的間接控制方式和直接控制方式，文獻(xiàn)［7］表明，所謂熱舒適指標(biāo)的間接控制方式，就是根據(jù)PMV指標(biāo)實(shí)時(shí)地確定各環(huán)境變量的設(shè)定值。在這種控制方式中熱舒適指標(biāo)并不是直接的被控參數(shù)，而是選擇某一個(gè)環(huán)境變量作為直接受到控制的參數(shù)。在這里，PMV指標(biāo)僅僅只是一個(gè)評判的標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)時(shí)計(jì)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(nèi)，如不是，則調(diào)節(jié)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使PMV值處于舒適的范圍之內(nèi)。

風(fēng)速與溫度的組合是實(shí)現(xiàn)熱舒適指標(biāo)控制的最佳選擇，不同的組合會有不同的控制方式。在熱舒適指標(biāo)的間接控制方式中常見的有兩種情況：（1）根據(jù)室內(nèi)風(fēng)速、平均輻射溫度以及空氣濕度確定空氣溫度的設(shè)定值;（2）根據(jù)室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度以及空氣濕度確定風(fēng)速的設(shè)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(shù)的間接熱舒適指標(biāo)控制方式

與僅有溫度控制的控制系統(tǒng)相比有以下不同：（l）溫度的設(shè)定值，由PMV控制器實(shí)時(shí)確定。從表面上看系統(tǒng)仍然是簡單的溫度設(shè)定控制，但溫度值的設(shè)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?qū)ζ渌h(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，同時(shí)還要允許根據(jù)實(shí)際對人體新陳代謝率與服裝熱阻進(jìn)行設(shè)定。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能，溫度的設(shè)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補(bǔ)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(diào)方式，提高室內(nèi)空氣溫度的設(shè)定值可以大幅度的降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。其中風(fēng)速傳感器是不必要的，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之間存在對應(yīng)的關(guān)系。但是必須要注意的是風(fēng)速的增大不能無限制，一般認(rèn)為可以控制在1m/s以下;而且風(fēng)速增加所引起的噪聲問題也必須得到重視。

其中以空氣溫度作為直接被控參數(shù)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(diào)節(jié)受到限制的場合，如列車，長途汽車等的空調(diào)系統(tǒng)中有很好的適用性。而以風(fēng)速為直接被控參數(shù)的控制系統(tǒng)則在易于對風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的場合得到應(yīng)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(xiàn)相當(dāng)大比重的節(jié)能。與此同時(shí)使用熱舒適指標(biāo)控制的間接方式可以很好地與原有空調(diào)系統(tǒng)常見的溫度控制系統(tǒng)結(jié)合起來。只需要在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)PMV的控制器，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適指標(biāo)控制。

2.2 熱舒適指標(biāo)的直接控制方式

熱舒適指標(biāo)控制的直接法就是用熱舒適指標(biāo)直接作為被控參數(shù)，來對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在實(shí)現(xiàn)形式上也是通過對溫度與風(fēng)速的控制來實(shí)現(xiàn)的。在熱舒適指標(biāo)的直接控制方式中，PMV指標(biāo)并不只是系統(tǒng)的一個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而是整個(gè)系統(tǒng)的輸入，通過PMV指標(biāo)與溫度和風(fēng)速的內(nèi)在聯(lián)系，當(dāng)PMV指標(biāo)變化時(shí)，調(diào)節(jié)溫度與風(fēng)速的相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使PMV值在舒適的范圍之內(nèi)。相應(yīng)的在熱舒適指標(biāo)的直接控制方式中，［7］也有兩種情況：（1）根據(jù)室內(nèi)PMV值確定空氣溫度的設(shè)定值;（2）根據(jù)室內(nèi)PMV值確定溫度與風(fēng)速的設(shè)定值。其控制原理如圖2所示。

圖2 基于PMV指標(biāo)的溫度與風(fēng)速的再設(shè)控制

其中第二種方式是在第一種方式的基礎(chǔ)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(biāo)從溫度與風(fēng)速的控制轉(zhuǎn)變到衡量人體熱舒適的評價(jià)指標(biāo)PMV的控制，這實(shí)際上是對現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的一種革新，不僅涉及到理論上的問題，更是一種觀念上的轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)了“以人為本”的空調(diào)方式全新理念?？照{(diào)系統(tǒng)的控制不應(yīng)該只是對溫度、風(fēng)速等一些物理量的控制，更應(yīng)該是對人的控制。一但人體的舒適感發(fā)生變化，就應(yīng)該調(diào)節(jié)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來滿足人體熱舒適的需要，因此這種方式不僅能始終滿足人體對熱舒適的需要，并且能實(shí)現(xiàn)控制隨人體舒適感的變化而變化。

3、新出現(xiàn)的熱舒適控制方法

3.1 基于模糊自適應(yīng)控制器的智能空調(diào)系統(tǒng)

由于PMV指標(biāo)的非線性特征，當(dāng)它進(jìn)行監(jiān)控暖通空調(diào)設(shè)備時(shí)，往往不能處理一些復(fù)雜的問題，因此為了克服這些問題，我們引入了自適應(yīng)的模糊控制理論［4］。如圖3 所示。

圖3 基于模糊自適應(yīng)控制器的智能空調(diào)系統(tǒng)框圖

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

采用復(fù)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(shù)據(jù)送入PMV網(wǎng)絡(luò)，PMV網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的計(jì)算PMV指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)就作為空調(diào)控制的目標(biāo)，如果PMV指標(biāo)在合理的范圍內(nèi)，那么控制器就可以繼續(xù)運(yùn)行而不需要修正，否則，控制器就來控制空調(diào)，以改變氣流速度、氣流方向等等達(dá)到理想的舒適環(huán)境。

圖4 新興方法的應(yīng)用示例

3.2 依據(jù)用戶需求在線實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)

文獻(xiàn)［5］總結(jié)以往的熱舒適控制方法，無論是從節(jié)能還是從用戶的熱感覺來看，室內(nèi)熱環(huán)境并不是最優(yōu)的，主要原因在于空調(diào)控制系統(tǒng)并沒有把人的需求考慮在內(nèi)，因此我們提出一個(gè)新的空調(diào)控制方法。如圖4所示。

該系統(tǒng)主要由用戶機(jī)和服務(wù)器組成，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)用戶機(jī)與空調(diào)控制器的在線通訊。中間服務(wù)器會收集房間內(nèi)各個(gè)用戶機(jī)傳來的用戶請求并且通過LBC來決定要設(shè)置的溫度值，然后把這些命令發(fā)給空調(diào)控制器來調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適情況。用戶機(jī)就像終端一樣把用戶的請求傳送給空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)他們也會從服務(wù)器那里得到有關(guān)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能情況和其他用戶的一些需求情況。

在用戶的輸入屏幕上有：“稍暖”“稍涼”兩個(gè)請求選項(xiàng)，“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(xiàng)，還有“熱”、“暖”、“有點(diǎn)暖”、“中性”、“有點(diǎn)涼”、“涼”、“ 冷”七個(gè)熱感覺選項(xiàng)，如果用戶想讓室內(nèi)環(huán)境稍暖些，則可以點(diǎn)擊“稍暖”，同理點(diǎn)擊“稍涼”，通過這個(gè)輸入屏用戶可以把他們的請求和所期望的熱感覺發(fā)送給中間服務(wù)器。當(dāng)然服務(wù)器收集用戶的信息后會通過一系列的算法來確定控制器到底要怎樣工作等一系列問題。

在這個(gè)系統(tǒng)中，各種信息的反饋［5］被認(rèn)為是很重要的一部分，反饋環(huán)節(jié)的目的是讓用戶們能夠接受這個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)也能激發(fā)用戶參與節(jié)能。

4、總結(jié)

熱舒適指標(biāo)控制實(shí)際上是傳統(tǒng)溫度控制的發(fā)展，把空調(diào)系統(tǒng)的控制目標(biāo)從單純的室內(nèi)空氣溫、濕度控制轉(zhuǎn)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(biāo)的控制上來，使空調(diào)系統(tǒng)的控制隨著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(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)的組合，使系統(tǒng)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(xiàn)舒適與節(jié)能的統(tǒng)一。

雖然國外在舒適控制的研究上己經(jīng)有較長的一段時(shí)間，并且有關(guān)舒適控制的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)問世，但在我國還處于起步階段。隨著對舒適與節(jié)能要求的日益提高，實(shí)現(xiàn)舒適控制也是HVAC系統(tǒng)的一個(gè)重要趨勢之一。在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)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(diào)的基礎(chǔ)研究之一，不同的種族、區(qū)域以及生活習(xí)慣對舒適的標(biāo)準(zhǔn)并不相同。因此應(yīng)根據(jù)我國的實(shí)際情況，在綜合國外研究的基礎(chǔ)上開展針對我國人種特點(diǎn)的熱生理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)研究。

（２）由于PMV指標(biāo)的多變量、非線性特點(diǎn)以及HVAC的復(fù)雜性，在實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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。