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(píng)價(jià)指標(biāo)DDPMV指標(biāo)之后，世界各國(guó)對(duì)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(duì)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(mǎn)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(duì)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(duì)人體的平均輻射溫度;對(duì)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(jué)是這六大因素對(duì)人體共同作用的結(jié)果［4］。就四個(gè)環(huán)境變量而言，對(duì)人體舒適感的影響程度是不同的，而且對(duì)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(huì)變小，通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)流輻射采暖系統(tǒng)更能滿(mǎn)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(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算出PMV值或采用PMV智能舒適傳感器測(cè)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(huì)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(jiàn)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(jiǎn)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(duì)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(cè)量，同時(shí)還要允許根據(jù)實(shí)際對(duì)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(lái)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(duì)應(yīng)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(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(wèn)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(chǎng)合，如列車(chē)，長(zhǎng)途汽車(chē)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(duì)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的場(chǎng)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(jiàn)的溫度控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。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(lái)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在實(shí)現(xiàn)形式上也是通過(guò)對(duì)溫度與風(fēng)速的控制來(lái)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而是整個(gè)系統(tǒng)的輸入，通過(guò)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)PMV的控制，這實(shí)際上是對(duì)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)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(zhuǎn)變，體現(xiàn)了“以人為本”的空調(diào)方式全新理念。空調(diào)系統(tǒng)的控制不應(yīng)該只是對(duì)溫度、風(fēng)速等一些物理量的控制，更應(yīng)該是對(duì)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(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(duì)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(xiàn)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(wèn)題，因此為了克服這些問(wèn)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(huì)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(cè)量四個(gè)環(huán)境因素：溫度、相對(duì)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(lái)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(hù)需求在線(xiàn)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(wú)論是從節(jié)能還是從用戶(hù)的熱感覺(jué)來(lái)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(méi)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(hù)機(jī)和服務(wù)器組成，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)用戶(hù)機(jī)與空調(diào)控制器的在線(xiàn)通訊。中間服務(wù)器會(huì)收集房間內(nèi)各個(gè)用戶(hù)機(jī)傳來(lái)的用戶(hù)請(qǐng)求并且通過(guò)LBC來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適情況。用戶(hù)機(jī)就像終端一樣把用戶(hù)的請(qǐng)求傳送給空調(diào)系統(tǒng)，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(tǒng)的節(jié)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(qǐng)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(jué)選項(xiàng)，如果用戶(hù)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(guò)這個(gè)輸入屏用戶(hù)可以把他們的請(qǐng)求和所期望的熱感覺(jué)發(fā)送給中間服務(wù)器。當(dāng)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(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(hù)們能夠接受這個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)也能激發(fā)用戶(hù)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(duì)人體綜合作用效果的熱舒適指標(biāo)的控制上來(lái)，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(guó)外在舒適控制的研究上己經(jīng)有較長(zhǎng)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(guó)還處于起步階段。隨著對(duì)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(shì)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(duì)舒適的標(biāo)準(zhǔn)并不相同。因此應(yīng)根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，在綜合國(guó)外研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展針對(duì)我國(guó)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(xiàn)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(duì)各種高級(jí)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。