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        基于PMV指標的室內環(huán)境熱舒適度控制器設計

        2016-06-07 07:20:01馮鑫段培永段晨旭
        山東科學 2016年1期

        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

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