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七點標度為出發(fā)點提出熱舒適評價指標DDPMV指標之后，世界各國對熱舒適的研究進入了一個全新時期，特別是在此標準基礎上進行的控制研究為人們提供了更舒適的室內環(huán)境。然而隨著生活水平的提高，人們對室內環(huán)境有了更高的要求，同時伴隨著節(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。

影響人體的室內熱濕環(huán)境由多個要素構成，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果［4］。就四個環(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(jié)各個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(jié)溫度與風速的組合。由于氣流是一種最廉價的空調方式，如果在提高風速的同時提高室內空氣溫度，這不僅有利于節(jié)能并且能大大改善室內的空氣品質。這是因為提高室內空氣溫度，室內外的空氣溫差就會變小，通過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溫度控制具有更大的靈活性，可以實現舒適與節(jié)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指標實時地確定各環(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指標僅僅只是一個評判的標準，通過實時計算出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(jié)相應的執(zhí)行機構使PMV值處于舒適的范圍之內。

風速與溫度的組合是實現熱舒適指標控制的最佳選擇，不同的組合會有不同的控制方式。在熱舒適指標的間接控制方式中常見的有兩種情況：（1）根據室內風速、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控制器實時確定。從表面上看系統仍然是簡單的溫度設定控制，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)境參數進行測量，同時還要允許根據實際對人體新陳代謝率與服裝熱阻進行設定。

為實現系統的節(jié)能，溫度的設定值可以提高到28℃，同時可以采取增加風速以及紊流度的辦法來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。其中風速傳感器是不必要的，因為可以認為風機的轉速與風速之間存在對應的關系。但是必須要注意的是風速的增大不能無限制，一般認為可以控制在1m/s以下;而且風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的間接PMV控制在平均輻射溫度與空氣溫度差別較大、風速的調節(jié)受到限制的場合，如列車，長途汽車等的空調系統中有很好的適用性。而以風速為直接被控參數的控制系統則在易于對風速進行調節(jié)的場合得到應用。這兩種方法都不僅能夠提高環(huán)境的熱舒適性，而且可以實現相當大比重的節(jié)能。與此同時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的溫度控制系統結合起來。只需要在原有控制系統的基礎上增加一個PMV的控制器，就可以很容易地實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，來對空調系統進行控制。在實現形式上也是通過對溫度與風速的控制來實現的。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評價標準，而是整個系統的輸入，通過PMV指標與溫度和風速的內在聯系，當PMV指標變化時，調節(jié)溫度與風速的相應執(zhí)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速的控制。與間接方式相比，直接法的控制目標從溫度與風速的控制轉變到衡量人體熱舒適的評價指標PMV的控制，這實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題，更是一種觀念上的轉變，體現了“以人為本”的空調方式全新理念。空調系統的控制不應該只是對溫度、風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(jié)相應的執(zhí)行機構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指標的非線性特征，當它進行監(jiān)控暖通空調設備時，往往不能處理一些復雜的問題，因此為了克服這些問題，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(jié)系統的特性，在原有的控制模型基礎上加入了自適應網絡，同時為了使系統更加的穩(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性的網絡后，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，這樣依次進行，將會始整個系統獲得更好的穩(wěn)定性。

采用復合傳感器測量四個環(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網絡，PMV網絡實時的計算PMV指標，這個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(xù)運行而不需要修正，否則，控制器就來控制空調，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 依據用戶需求在線實時的調節(jié)

文獻［5］總結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有把人的需求考慮在內，因此我們提出一個新的空調控制方法。如圖4所示。

該系統主要由用戶機和服務器組成，服務器主要負責用戶機與空調控制器的在線通訊。中間服務器會收集房間內各個用戶機傳來的用戶請求并且通過LBC來決定要設置的溫度值，然后把這些命令發(fā)給空調控制器來調節(jié)室內的熱舒適情況。用戶機就像終端一樣把用戶的請求傳送給空調系統，同時他們也會從服務器那里得到有關整個系統的節(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”兩個請求選項，“很不舒適”、“不舒適”、“ 有點不舒適”、“中性”、“有點不舒適”、“不舒適”、“很不舒適”七個熱舒適選項，還有“熱”、“暖”、“有點暖”、“中性”、“有點涼”、“涼”、“ 冷”七個熱感覺選項，如果用戶想讓室內環(huán)境稍暖些，則可以點擊“稍暖”，同理點擊“稍涼”，通過這個輸入屏用戶可以把他們的請求和所期望的熱感覺發(fā)送給中間服務器。當然服務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(jié)的目的是讓用戶們能夠接受這個系統，同時也能激發(fā)用戶參與節(jié)能。

4、總結

熱舒適指標控制實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，使空調系統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，調節(jié)各個參數的組合，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現舒適與節(jié)能的統一。

雖然國外在舒適控制的研究上己經有較長的一段時間，并且有關舒適控制的相關產品已經問世，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，實現舒適控制也是HVAC系統的一個重要趨勢之一。在現有的研究基礎之上有必要在以下幾個方面進行進一步的研究。

（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(qū)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際情況，在綜合國外研究的基礎上開展針對我國人種特點的熱生理學理論與實驗研究。

（２）由于PMV指標的多變量、非線性特點以及HVAC的復雜性，在實現上采用經典控制理論有一定的難度。因此需進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。