王麗薇 林忠平*

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

建筑的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的70%左右[1]，合理使用自然通風(fēng)，通過開窗通風(fēng)等手段可以降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。近年來各國學(xué)者在熱舒適領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)[2]，在自然通風(fēng)環(huán)境中人們的舒適域遠遠超過了現(xiàn)有標準中提供的舒適域，而且舒適域也大于完全靠機械通風(fēng)和空調(diào)的建筑[3]。由于自然通風(fēng)驅(qū)動力的不穩(wěn)定性，僅依靠自然通風(fēng)無法維持穩(wěn)定舒適的室內(nèi)環(huán)境，因此近年來出現(xiàn)了自然通風(fēng)與機械通風(fēng)相結(jié)合的混合通風(fēng)方式。因為很難建立一個適合于控制的精確的數(shù)學(xué)模型，所以傳統(tǒng)的控制方法無法對混合通風(fēng)系統(tǒng)進行實時有效的控制[4]。模糊控制理論可以模擬人的思維方式并利用人們在實際控制過程中積累的經(jīng)驗達到優(yōu)化控制的目的。本文采用模糊控制的原理，將人的控制經(jīng)驗數(shù)量化，在控制過程中，自動根據(jù)外界環(huán)境的變化控制住宅窗戶開度大小。自然通風(fēng)動力不足時，開啟輔助風(fēng)機，調(diào)整通風(fēng)量的大小，達到控制室內(nèi)環(huán)境的目的。

1 模型選取及Sketch Up建模

混合通風(fēng)利用的室外溫度一般在22～30%℃范圍內(nèi)，可借助通風(fēng)對熱舒適性進行調(diào)節(jié)的室內(nèi)溫度范圍是 20～28%℃[4]。文獻[5]、[6]研究表明東北地區(qū)夏季炎熱，室外通風(fēng)溫度低，室外風(fēng)速較大，具有良好的自然通風(fēng)潛力，因此選取黑龍江省省會城市哈爾濱的一個住宅公寓進行建模和控制，使得研究更具代表性和應(yīng)用價值。本文選取了哈爾濱市三口之家的某一居民公寓，并對其進行簡化得到如圖1所示模型。

圖1 簡化后sketch up房間模型

該公寓被簡化為兩個臥室（西區(qū)為雙人主臥，東區(qū)為次臥）以及一個公共區(qū)域（北區(qū)），包括客廳、開放式廚房、餐廳等，層高2.7 m。簡化后住宅平面圖如圖2所示。窗戶均為水平推拉窗，高度均為2 m，實際可用開窗面積分別 2.25m2、2.25m2、3.375m2。

圖2 簡化后房間平面圖

2 模糊控制器設(shè)計

2.1 模糊控制邏輯

混合通風(fēng)系統(tǒng)使用模糊控制思想對室內(nèi)參數(shù)進行控制，無須建立數(shù)學(xué)模型，只需用實時檢測的室內(nèi)外溫度、風(fēng)速值作為模糊控制器的輸入，通過模糊運算后得到窗戶開度和輔助風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，即可實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的控制。影響熱舒適的參數(shù)很多，考慮到本系統(tǒng)的特殊性，在多個輸入中，室內(nèi)溫度是最重要的，因此本文以室內(nèi)溫度為控制目標，根據(jù)室外溫度及風(fēng)速進行模糊推理得到窗戶和風(fēng)機的控制參數(shù)，并將室內(nèi)溫度作為反饋，對控制信號進行修正。模糊控制的邏輯框圖如圖3：

圖3 控制框圖

2.2 模糊控制的模糊化,模糊推理以及解模糊過程

根據(jù)適合混合通風(fēng)的室外溫度（22～30%℃）、風(fēng)速（0～8m/s）條件，將輸入和輸出參數(shù)分別賦予NL、NM、NS、O、PS、PM、PL 七個語言值，即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，并映射到[-3，3]區(qū)間，然后建立隸屬度函數(shù)，本控制系統(tǒng)采取簡單的三角形分布，如圖4所示。根據(jù)用戶實際使用不同感受，隸屬函數(shù)可進一步的微調(diào)。

圖4 參數(shù)隸屬度函數(shù)

根據(jù)建立的語言值在Matlab中進行隸屬函數(shù)設(shè)置以及IF…THEN…模糊規(guī)則設(shè)計，通過該規(guī)則進行模糊推理并使用重心法進行解模糊后，得到精確的輸出信號，可用于之后的Energy Plus建模以及模擬。模糊規(guī)則的設(shè)計是控制系統(tǒng)的核心，本控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則如表1所示：

表1 模糊控制規(guī)則

2.3 控制系統(tǒng)搭建

基于2.1中所述的模糊控制的輸入輸出參數(shù)所建立的模糊系統(tǒng)，將適合混合通風(fēng)的室外參數(shù)進行篩選后作為模糊控制系統(tǒng)的輸入，并加入室內(nèi)溫度反饋系統(tǒng)，二者綜合對開窗機和風(fēng)機進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。其中反饋系統(tǒng)中同樣采用模糊控制的方法將混合通風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度控制范圍分為7個等級，與室外溫度一起作為輸入量，經(jīng)過模糊推理、解模糊過程，進一步對控制信號進行修正。其中反饋系統(tǒng)的隸屬函數(shù)以及模糊規(guī)則的設(shè)定過程與2.1以及2.2中所述類似，由于篇幅原因不再贅述?？刂葡到y(tǒng)圖如圖5所示，據(jù)此在Simulink中建立的仿真系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 控制流程圖

圖6 Simulink仿真模型

運行仿真系統(tǒng)后可得到與室外參數(shù)相對應(yīng)的控制信號，并將控制信號存儲在文件中，作為Energy Plus運行的外部文件。

3 Energy Plus模擬及控制結(jié)果分析

3.1 模型完善

為驗證該模糊控制系統(tǒng)對混合通風(fēng)住宅的控制效果，將通過Energy Plus進行模擬從而得到控制參數(shù)——室內(nèi)溫度以及相對濕度等室內(nèi)參數(shù)。根據(jù)實際住宅的墻體材料、門窗材料等在Energyplus中對模型進行完善，并根據(jù)一般三口之家生活習(xí)慣對人員，照明，設(shè)備進行設(shè)定和時間指派，如表2、表3所示。人員，設(shè)備時間指派與照明類似。

表2 各區(qū)人員、照明、設(shè)備情況

表3 各區(qū)照明情況時間指派

模型所選取某品牌輔助風(fēng)機，額定功率30 W，額定風(fēng)量220m3風(fēng)量，在Energy Plus的Ventilation:DesignFlowrate中輸入相應(yīng)其他參數(shù)。

3.2 控制信號時間表建立

由于22～30℃為適合混合通風(fēng)的室外溫度范圍，因此假定室外溫度在此范圍外時窗戶開度以及風(fēng)機轉(zhuǎn)速均為0。結(jié)合2.3仿真控制系統(tǒng)中得到的控制信號，建立開窗機及輔助風(fēng)機的時間表作為Energy Plus的輸入。

另外，由于本文研究對象為哈爾濱市內(nèi)某居民住宅，而Energy Plus提供的氣象文件為郊區(qū)氣象參數(shù)，因此與實際建筑的環(huán)境存在較大差異，尤其是風(fēng)速的差異，因此根據(jù)文獻[7]、[8]的研究結(jié)果將郊區(qū)風(fēng)速乘以系數(shù)0.6進行修正。

3.3 模擬數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

為了更加真實地反映人體的熱感覺，本小節(jié)引入體感溫度對實際控制結(jié)果進行評價。體感溫度是熱平衡條件下，人體對實時綜合環(huán)境以熱感覺溫度表示的生物氣象指標[9]。通常情況下體感溫度可表示為：

式中：Tg為體感溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃；RH為相對濕度；v為風(fēng)速，m/s。

本文引入最佳舒適溫度Ts，并進行時空修正[10]，修正后的最佳舒適溫度為：

式中：φ為緯度；M為月份。

體感溫度與最佳舒適溫度Ts與最佳相對濕度RHs相關(guān)，一般 RHs取 50%。當(dāng) Ta≥Ts，RH≥RHs時：

當(dāng) Ta＜Ta，RHTaRHs時：

式中：Tg為體感溫度，℃；Ta為平均空氣溫度，℃；v為平均風(fēng)速，m/s；A為修正系數(shù)，由 Steadman所做的apparent temperature查表得到。當(dāng)RH＜RHs，濕度項不起作用。

將Energy Plus模擬結(jié)果中適合混合通風(fēng)的時間（室外溫度22～30%℃，共計1122 h）篩選出來后，采用上述公式進行處理，得到采取通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度變化情況，如圖7～8所示：

圖7 采用混合通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度

圖8 不采用混合通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度

由圖7～8可知使用模糊控制的混合通風(fēng)系統(tǒng)可使三個區(qū)域室內(nèi)溫度平均溫度達到25.7%℃，而不進行通風(fēng)的模型室內(nèi)平均溫度則為27.4%℃，通過對比可知該模糊控制可將過渡季室內(nèi)體感溫度平均值降低了1.7%℃，使室內(nèi)體感溫度平均水平維持在較為舒適的范圍內(nèi)。

4 空調(diào)系統(tǒng)建立與節(jié)能結(jié)果分析

4.1 Energy Plus中分體空調(diào)建立

為與達到相同室內(nèi)溫度控制效果的空調(diào)系統(tǒng)進行能耗對比，在Energy Plus中的各個房間設(shè)立分體空調(diào)，并進行溫度控制，從而使室內(nèi)溫度平均值可控制在與混合通風(fēng)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)那闆r。具體室內(nèi)體感溫度控制值如表4所示。將該空調(diào)能耗進行輸出如圖9所示，具體對時間積分后得到使用空調(diào)代替混合通風(fēng)時段的總能耗為280.5 kWh，夏季空調(diào)總能耗315.7 kWh。

表4 各系統(tǒng)室內(nèi)體感溫度控制結(jié)果

圖9 夏季空調(diào)能耗

混合通風(fēng)的推窗機選用某型號開窗機，其具體參數(shù)見表5，根據(jù)本住宅窗戶大小及個數(shù)，經(jīng)計算得到住宅混合通風(fēng)期間開窗機所消耗電能約為0.24 kWh,開窗機運行時間極短，因此功耗極小，可以忽略不計。將輔助風(fēng)機的參數(shù)輸入Energy Plus，并根據(jù)不同風(fēng)量系數(shù)下的運行結(jié)果，擬合出部分負荷能耗曲線，風(fēng)機能耗由其部分負荷曲線（圖10）和風(fēng)機控制信號進行計算后得到，整個混合通風(fēng)期間總能耗為25.5 kWh。對比空調(diào)系統(tǒng)的能耗可知使用本文所使用的控制系統(tǒng)能耗節(jié)省了254.8 kWh的電能，節(jié)能效果明顯。

表5 開窗機參數(shù)

圖10 輔助風(fēng)機部分負荷能耗曲線

4 結(jié)論

本文對一間實際居民住宅進行建模與簡化，在Matlab中建立仿真控制系統(tǒng)對室內(nèi)溫度使用模糊控制的方法進行控制，并在Energy Plus中進行模擬，分析控制結(jié)果并進行能耗對比可得到以下結(jié)論：

1）通過建立合適的控制邏輯及規(guī)則，模糊控制方法在混合通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果比較好，在過渡季可實現(xiàn)房間體感溫度2℃左右的下降。

2）自然通風(fēng)潛力較大的地區(qū)，如哈爾濱市，若合理利用自然通風(fēng)與機械通風(fēng)，在實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的同時可節(jié)省相當(dāng)可觀的電能。

[1]江億.我國建筑能耗趨勢與節(jié)能重點[J].建設(shè)科技,2006,(7):10-15

[2]Brager G S,De Dear R J.A standard for natural ventilation[J].ASHRAE Journal,2000,42(10):21-28

[3]Ghiaus C,Belarbi R,Allard F.Evaluation of natural ventilation potential by using degree-days[C]//International Forum on Renewable Energies FIER’2002 Proceedings.2002:467-473

[4]張荔.住宅混合通風(fēng)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2008

[5]鄒惠芬,楊春.對沈陽居住建筑自然通風(fēng)潛力的評估[J].低溫建筑技術(shù),2011,(5):106-108

[6]喬宣銘.北方鐵路客站夏季通風(fēng)降溫與節(jié)能研究[D].成都:西南交通大學(xué),2014.

[7]曹梅.西安城市與郊區(qū)風(fēng)向風(fēng)速差異分析[J].陜西氣象,2016,(2):19-23

[8]于成獻.應(yīng)用區(qū)域氣象站資料分析泰安市區(qū)與郊區(qū)風(fēng)的差異[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,(18):241-243

[9]劉梅,于波.以熱量平衡為基礎(chǔ)的體感溫度模型及氣候要素的效應(yīng)分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報,2001,24(4):527-535

[10]馬盼,王式功.基于“黃金分割率”的體感溫度計算方法及相應(yīng)舒適度劃分[C]//第30屆中國氣象學(xué)會年會論文集.南京,2013