馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東　濟南　250101）

基于PMV指標的室內環(huán)境熱舒適度控制器設計

馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101）

摘要：針對目前室內熱環(huán)境調節(jié)缺少合理控制方法的問題，本文在分析溫度、濕度、風速和平均輻射溫度四個熱環(huán)境參數(shù)對PMV指數(shù)影響的基礎上，基于人體舒適度模型的模糊控制，將嵌入式ARM9芯片作為主控制芯片，結合無線傳感網(wǎng)絡，設計了一種室內舒適度控制器，并闡述了其系統(tǒng)構成與決策方法。該控制器不僅布設方便，而且能夠在保證人體室內舒適度的情況下，減少調節(jié)室內熱環(huán)境過程中帶來的能耗。

關鍵詞：PMV指數(shù)；熱舒適度；模糊控制

我國的建筑能耗約占總能耗的30%，并且還在持續(xù)增加，其中暖通空調系統(tǒng)的能耗占建筑能耗的30%～60%［1］。在2015年1月1日起開始實施的新綠色建筑評價標準（GB/T50378-2014［2］）中，已將暖通空調的能耗作為綠色建筑評價中的重要組成部分。目前室內熱環(huán)境主要檢測溫度、濕度，進行恒溫恒濕控制［3］，卻忽略了人體舒適感在室內熱環(huán)境控制中的主體地位。在一些舒適度控制的研究中多采用各種優(yōu)化算法進行熱舒適度的建模，并對熱舒適度進行預測［4－5］，復雜的建模及優(yōu)化方法在一定程度上可以提高熱舒適度的控制精度，但對控制器的實現(xiàn)造成了困難。此外，在相關研究所建立的空氣調節(jié)模型中僅考慮人體的舒適性，沒有考慮能源消耗這一因素［6］。因此，本文在分析幾個環(huán)境因素對舒適度影響的基礎上，結合舒適度評價指標，設計了更便于實施的舒適度控制方法。

在眾多的舒適度的評價指標中［7］，本文選用最具代表性的預測平均投票指標（predictedmeanvote，PMV），PMV指標最早由丹麥教授Fanger提出［8］，該指標綜合考慮了相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度以及人體活動情況、著衣情況、空氣溫度等6個因素，代表了大多數(shù)人的冷熱感覺，并且規(guī)定舒適度指標值FPMV在－0.5～0.5時為舒適范圍。研究數(shù)據(jù)表明，在PMV指標的指導下，通過控制溫度這一單一影響因素就能達到約5.6%的節(jié)能效果［9］，并且其在冷熱輻射系統(tǒng)（RHCS）以及機械通風的辦公樓熱舒適評價中也起到了重要的指導作用［10－11］。但PMV指標有些參量的測量很復雜，為保證舒適度控制精度以及控制算法更加便于實施，本文采用對人體活動情況、著衣情況做近似處理，將空氣溫度、空氣濕度和空氣流速作為輸入?yún)?shù)與控制量的方法，進行舒適度控制器的設計。根據(jù)室內不同的熱環(huán)境狀況，通過調節(jié)這3個參數(shù)的組合，例如，濕度在30%～60%之間變化時，溫度可以在26～27℃變化［12］，再加入風量，實現(xiàn)在保證室內人體熱舒適度的前提下，降低調節(jié)室內熱環(huán)境造成的能耗。

1　熱環(huán)境參數(shù)對舒適度指標的影響分析

1.1風速對舒適度指數(shù)的影響

假定平均輻射溫度為26℃，相對濕度為50%，從圖1中可以得出：（1）風速v越大，F(xiàn)PMV值越小，而且風速對PMV指標的影響隨著風速的增加越來越小。研究表明，在通過空氣流速調節(jié)室內FPMV值時，風速應當控制在0.2～0.8m/s的范圍內，風速過大會對人身體帶來不適感［12］。（2）空氣溫度ta越高，風速對FPMV的影響越小，在舒適度調節(jié)中的權重變小。外界環(huán)境溫度約等于人體表面平均溫度時，風速這一單一因素對FPMV值的影響減弱，空氣濕度在舒適度調節(jié)中的作用加強。

圖1　風速對PMV指標的影響Fig.1　Impact　of　air　velocity　on　PMV　index

圖2　相對濕度對PMV指標的影響Fig.2　Impact　of　relative　humidity　on　PMV　index

1.2空氣濕度對舒適度指標的影響

人體皮膚表面散失的熱量與空氣濕度相關，從而影響人體舒適感。假設平均輻射溫度為26℃，風速取0.1m/s，從圖2中可以得出隨著溫度的升高，空氣濕度對FPMV值的影響越來越明顯，而且溫度對FPMV值影響要大于濕度。當空氣溫度在20～25℃范圍內，相對濕度的變化對FPMV值的影響并不明顯；只有當空氣溫度較高時，空氣濕度才成為影響人體熱感覺的重要因素。

1.3空氣溫度對舒適度指數(shù)的影響

空氣溫度直接影響人體與周圍環(huán)境熱量交換從而影響人體舒適感，在PMV舒適指標中所占的權重最大。PMV指標將冷熱環(huán)境中人體的反應分為7級：熱、稍熱、暖、舒適、涼、較涼和冷，分別對應了PMV指標的7個值：－3、－2、－1、0、1、2、3。從圖3中得出，在不同的輻射溫度tr下，隨著溫度的增大，F(xiàn)PMV值呈線性增長，并且從曲線的斜率中也可以看出空氣溫度對FPMV的影響非常明顯。

1.4平均輻射溫度對舒適度指標的影響

平均輻射溫度是指建筑物圍護結構表面所輻射熱量的平均溫度，它對室內的環(huán)境溫度會有影響。從圖4中可以得出，隨著輻射溫度的上升，F(xiàn)PMV值也呈線性上升趨勢，這與空氣溫度對FPMV值的影響相似，在本文中對平均輻射溫度與空氣溫度做等價處理。

圖3　空氣溫度對PMV指標的影響Fig.3　Impact　of　air　temperature　on　PMV　index

圖4　平均輻射溫度對PMV指標的影響Fig.4　Impact　ofmean　radiant　temperature　on　PMV　index

在舒適度控制中，空氣溫度ta、濕度、風速v和平均輻射溫度tr四個因素是環(huán)境變量，對人體活動情況、著衣情況兩個變量是屬于不可控制的變量，因此僅分析了四個環(huán)境變量對舒適度指標的影響。

在分析完環(huán)境變量對舒適度指標的影響之后，對Fanger公式（1）～（3）中變量根據(jù)北方室內的實際情況作近似處理，如表1所示；溫度、濕度與PMV舒適度指標的變量值FPMV的對應關系，如表2所示。

式中，M為人體能量代謝率，W/m2；W為人體活動量，W/m2；η為機械效率；P為空氣中水蒸氣分壓力，Pa；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tr為房間的平均輻射溫度，℃；fcl為人體著衣面積與裸露面積的比值；tcl為衣服外表面溫度，℃。

hc為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；Icl為著衣熱阻，m2·℃/W。

va為室內風速，m/s。

表1　近似處理的變量值Table　1　Variable　values　of　approximate　processing

表2中M＝69.78W/m2，fcl＝1.10，tcl＝0.11（或tcl＝0.093）℃，v＝0.2m/s。從表2中可以看出，在風速取0.2m/s，溫度在21～26℃，濕度在20%～80%之間變化時，溫度與濕度在表中黑線區(qū)域內的取值可以保證PMV舒適度指標值FPMV在－0.5～0.5之間變動。結合圖1風速對舒適度指標的影響，溫度取定值時，空氣流動可以使PMV指標減小。綜上所述，在夏季工況下，通過提高室內空調設定溫度、相對濕度，再加上適當風速對舒適度指標進行補償，可保持舒適度指標在允許范圍內，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

表2　PMV輸出值FPMVTable　2　Output　value　FPMVof　PMV

2　舒適度控制系統(tǒng)結構

舒適度控制器系統(tǒng)主要由底層的執(zhí)行模塊、中間層的通信模塊和上層的決策模塊3大部分組成，如圖5所示。底層的執(zhí)行模塊包括熱環(huán)境參數(shù)傳感器和風扇、空調和加濕器執(zhí)行機構，負責熱環(huán)境參數(shù)的采集與調節(jié)。中間層的通信模塊由多個無線節(jié)點構成，負責熱環(huán)境參數(shù)與控制參數(shù)，在決策模塊與執(zhí)行模塊之間的傳輸。上層的決策模塊包括主控制芯片與外圍電路，負責根據(jù)當前熱環(huán)境參數(shù)計算出PMV舒適度指標，以及制定出舒適度策略。

圖5　舒適度控制器系統(tǒng)結構圖Fig.5　Structure　of　comfort　controller　system

（1）熱環(huán)境傳感器的檢測參數(shù)

考慮到PMV指標中6個變量中人體活動程度、衣服熱阻不便于測量，結合表2對相關變量做了近似處理。因此選取合適的傳感器僅實時檢測空氣溫度、相對濕度和風速3個環(huán)境變量。

（2）通信層數(shù)據(jù)傳輸方式

在實際系統(tǒng)搭建的過程中，熱環(huán)境傳感器、風扇、空調和加濕器在室內空間分布比較靈活，不同的空間分布方式測得的PMV指標FPMV值可能不同，執(zhí)行機構的執(zhí)行效果也不同。因此采用無線傳感網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在靈活性和擴展性方面有著巨大的優(yōu)勢。

（3）決策層數(shù)據(jù)處理

通信層傳輸來的熱環(huán)境參數(shù)通過計算轉換成實時的PMV指標，根據(jù)PMV控制策略控制執(zhí)行機構，控制溫度、濕度和風速調節(jié)室內環(huán)境。

執(zhí)行機構可根據(jù)不同的控制方法采用不同的設置，風扇、空調和加濕器等裝置的控制方法各有不同，但總的控制策略是不變的，通過主控制器控制不同的執(zhí)行機構，實現(xiàn)對室內溫度、濕度和風速的調節(jié)。

3　PMV控制策略及方法

3.1PMV控制策略

在實現(xiàn)調節(jié)FPMV值上，風速調節(jié)的能耗要遠遠低于溫度調節(jié)。根據(jù)表1風速在0.2m/s、溫度在26℃、濕度在50%時的FPMV值為0.71，再結合圖1風速對FPMV值的影響作用，通過將風速從0.2提高到0.6m/s可以使FPMV值減小到0.5以下，可采用室內局部安裝風扇，通過控制局部風扇的風速實現(xiàn)PMV調節(jié)，從而在不降低空調設定溫度的情況下，控制PMV舒適指標值FPMV在的－1～1的合理的范圍以內。

溫度與相對濕度之間具有較強的耦合關系，水蒸氣分壓力Pa一定時，濕度隨著溫度的增大而減小，反之增大。從圖2中可以看出在不同的溫度下FPMV曲線斜率較小，說明一定溫度下濕度對PMV指標影響較小。從表2中可以看出，當濕度在30%～60%之間，溫度在27℃仍可保證FPMV值在＋1以下，因此在相對濕度較低時，適當提高溫度。

3.2PMV策略控制方法

就上文提到的控制策略，采用模糊PID的控制方法實施［13］，具體控制方法為檢測3個環(huán)境參數(shù)溫度、相對濕度和風速。把采集到的熱環(huán)境數(shù)據(jù)輸入控制器中，通過溫度、濕度值與FPMV轉換表得到實時的PMV指標，然后將FPMV值作為模糊控制器的目標值，若FPMV在合理范圍±0.5內，則控制器不對輸出信號U做修正。否則，控制器就要在保持FPMV不變的基礎上，控制溫度、濕度和風速調節(jié)室內環(huán)境。模糊控制器的系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6　模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.6　Block　diagram　of　fuzzy　control　system

首先控制器測得實際的溫度值ta、風速v、濕度值hr，由上文經舒適度模型運算查表2得出目前實際的FPMV1值，將控制器設定的舒適度值FPMV0與FPMV1進行比較，得到舒適度的偏差值，e＝ΔFPMV即為兩者差值的絕對值，然后根據(jù)e與1的比較進行不同的計算。當e＞1時，采用PID參數(shù)自組織模糊控制方法，根據(jù)E和Ec的變化情況，對PID的參數(shù)Kp、Ki及時間變量T′進行在線自整定。當e＜1時，計算得出舒適度偏差值e的變化率ec＝de/dT，將舒適度偏差值e與舒適度偏差值變化率ec，分別進行模糊化得到模糊量E和EC（E為舒適度偏差論域，EC為舒適度偏差變化率論域），E、EC＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝。經過模糊推理得到給定信號U。

4　結語

本文在分析室內熱環(huán)境因素對PMV舒適度指標影響的基礎上，對舒適度控制器進行了系統(tǒng)設計，通過模糊控制決策得出溫度、濕度和風速的設定值，為舒適度的控制提供了更加便于使用的數(shù)據(jù)。采用嵌入式系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)絡的結合，也更加有利于舒適度系統(tǒng)控制策略的實施。在下一步的工作中，需要完成對控制器硬件電路部分的設計與制作，進行對舒適度控制策略方面的完善，最終在保證人體舒適度的前提下實現(xiàn)節(jié)能的目的。

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PMVindexbaseddesignofindoorthermalenvironmentcomfortcontroller

FENGXin，DUANPei-yong，DUANChen-xu

（DepartmentofInformationandElectricalEngineering，ShandongJianzhuUniversity，Jinan250101，China）

Abstract：Inviewoftheissueoflackingreasonablecontrolmethodinindoorthermalenvironmentregulation，wedesignanindoorthermalcomfortcontrollerbasedonanalysisoftheinfluenceofairtemperature，relativehumidity，meanradianttemperatureandairvelocityonPMV（PredictedmeanVote）index，humanbodycomfortmodelbasedfuzzycontrol，embeddedchipARM9andwirelesssensornetworks.Wealsopresentitssystemcompositionanddecisionmethod.Thecontrollernotonlyisconvenienttobedeployed，butalsocanreduceenergyconsumptioncausedbyindoorthermalenvironmentregulationbasedonguaranteeinghumanbodycomfortindex.

Keywords：PMVindex；thermalcomfort；fuzzycontrol

中圖分類號：TP272

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0110-06

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.019

收稿日期：2015-11-13

基金項目：國家自然科學基金（61374187）

作者簡介：馮鑫（1988－），男，碩士研究生，研究方向為智能環(huán)境與網(wǎng)絡化控制研究。Email：fengxin0205＠126.com