基于舒适行为的空调控制系统设计

1、引言

自从上世纪70年代Fanger以人体热舒适方程和ASHRAE七点标度为出发点提出热舒适评价指标――PMV指标之后，世界各国对热舒适的研究进入了一个全新时期，特别是在此标准基础上进行的控制研究为人们提供了更舒适的室内环境。然而随着生活水平的提高，人们对室内环境有了更高的要求，同时伴随着节能的大范围推广，要求我们不仅要满足人们的舒适性还要注意节能。

影响人体的室内热湿环境由多个要素构成，对环境侧而言，除了空气的温度、湿度和流速外，还有环境对人体的平均辐射温度;对人体侧而言，有人体的代谢产热量和衣着热阻［3］。人在环境中的冷热感觉是这六大因素对人体共同作用的结果［4］。就四个环境变量而言，对人体舒适感的影响程度是不同的，而且对系统能耗的影响程度也各不相同。因此完全可以在等舒适的前提下，调节各个参数的组合使系统的能耗最小［4］。例如在夏季，当其他因素不变，调节温度与风速的组合。由于气流是一种最廉价的空调方式，如果在提高风速的同时提高室内空气温度，这不仅有利于节能并且能大大改善室内的空气品质。这是因为提高室内空气温度，室内外的空气温差就会变小，通过建筑围护结构的传热量就小，空调系统的负荷相应的也要减少。在一般情况下，室内外气温差每减少1℃，通过围护结构的传热量将下降3％－10%;在冬季，提高室内的壁面平均辐射温度应的降低室内空气温度值，通过维护结构向外界所散失的热量也就要减少。文献［1］表明，采用低温地板辐射采暖系统比对流辐射采暖系统更能满足人体的热舒适要求，而且节能率较高。因此舒适控制比传统温度控制具有更大的灵活性，可以实现舒适与节能的和谐统一。

2、传统的热舒适控制方法

2.1 热舒适指标的间接控制方式

传统的热舒适控制主要包括热舒适指标的间接控制方式和直接控制方式，文献［7］表明，所谓热舒适指标的间接控制方式，就是根据PMV指标实时地确定各环境变量的设定值。在这种控制方式中热舒适指标并不是直接的被控参数，而是选择某一个环境变量作为直接受到控制的参数。在这里，PMV指标仅仅只是一个评判的标准，通过实时计算出PMV值或采用PMV智能舒适传感器测量得出PMV值，判断是否在舒适的范围内，如不是，则调节相应的执行机构使PMV值处于舒适的范围之内。

风速与温度的组合是实现热舒适指标控制的最佳选择，不同的组合会有不同的控制方式。在热舒适指标的间接控制方式中常见的有两种情况：（1）根据室内风速、平均辐射温度以及空气湿度确定空气温度的设定值;（2）根据室内空气温度、平均辐射温度以及空气湿度确定风速的设定值。这两种间接控制方式的控制原理如图1所示。

          图1 以温度为直接被控参数的间接热舒适指标控制方式

与仅有温度控制的控制系统相比有以下不同：（l）温度的设定值，由PMV控制器实时确定。从表面上看系统仍然是简单的温度设定控制，但温度值的设定却是考虑了其他影响因素对人体热舒适的作用。（2）增加的PMV控制器部分必须能够对其他环境参数进行测量，同时还要允许根据实际对人体新陈代谢率与服装热阻进行设定。

为实现系统的节能，温度的设定值可以提高到28℃，同时可以采取增加风速以及紊流度的办法来补偿因温度升高而引起的PMV值的增加。由于气流本身是一种廉价的空调方式，提高室内空气温度的设定值可以大幅度的降低空调系统的能耗。其中风速传感器是不必要的，因为可以认为风机的转速与风速之间存在对应的关系。但是必须要注意的是风速的增大不能无限制，一般认为可以控制在1m/s以下;而且风速增加所引起的噪声问题也必须得到重视。

其中以空气温度作为直接被控参数的间接PMV控制在平均辐射温度与空气温度差别较大、风速的调节受到限制的场合，如列车，长途汽车等的空调系统中有很好的适用性。而以风速为直接被控参数的控制系统则在易于对风速进行调节的场合得到应用。这两种方法都不仅能够提高环境的热舒适性，而且可以实现相当大比重的节能。与此同时使用热舒适指标控制的间接方式可以很好地与原有空调系统常见的温度控制系统结合起来。只需要在原有控制系统的基础上增加一个PMV的控制器，就可以很容易地实现空调系统的热舒适指标控制。

2.2 热舒适指标的直接控制方式

热舒适指标控制的直接法就是用热舒适指标直接作为被控参数，来对空调系统进行控制。在实现形式上也是通过对温度与风速的控制来实现的。在热舒适指标的直接控制方式中，PMV指标并不只是系统的一个评价标准，而是整个系统的输入，通过PMV指标与温度和风速的内在联系，当PMV指标变化时，调节温度与风速的相应执行机构，使PMV值在舒适的范围之内。相应的在热舒适指标的直接控制方式中，［7］也有两种情况：（1）根据室内PMV值确定空气温度的设定值;（2）根据室内PMV值确定温度与风速的设定值。其控制原理如图2所示。

           图2 基于PMV指标的温度与风速的再设控制

其中第二种方式是在第一种方式的基础上加上了对风速的控制。与间接方式相比，直接法的控制目标从温度与风速的控制转变到衡量人体热舒适的评价指标PMV的控制，这实际上是对现有空调系统的一种革新，不仅涉及到理论上的问题，更是一种观念上的转变，体现了“以人为本”的空调方式全新理念。空调系统的控制不应该只是对温度、风速等一些物理量的控制，更应该是对人的控制。一但人体的舒适感发生变化，就应该调节相应的执行机构来满足人体热舒适的需要，因此这种方式不仅能始终满足人体对热舒适的需要，并且能实现控制随人体舒适感的变化而变化。

3、新出现的热舒适控制方法

3.1 基于模糊自适应控制器的智能空调系统

由于PMV指标的非线性特征，当它进行监控暖通空调设备时，往往不能处理一些复杂的问题，因此为了克服这些问题，我们引入了自适应的模糊控制理论［4］。如图3 所示。

          图3 基于模糊自适应控制器的智能空调系统框图

为了改善调节系统的特性，在原有的控制模型基础上加入了自适应网络，同时为了使系统更加的稳定可靠，我们还修改了一些控制规则。给原始模型添加有适应性的网络后，就可以改变PID积分微分模块的参数值;因此这些将取决于“阶跃响应”的峰值，这样依次进行，将会始整个系统获得更好的稳定性。

采用复合传感器测量四个环境因素：温度、相对湿度、气流速度和平均辐射温度;把采集到的数据送入PMV网络，PMV网络实时的计算PMV指标，这个指标就作为空调控制的目标，如果PMV指标在合理的范围内，那么控制器就可以继续运行而不需要修正，否则，控制器就来控制空调，以改变气流速度、气流方向等等达到理想的舒适环境。

               图4 新兴方法的应用示例

3.2 依据用户需求在线实时的调节

文献［5］总结以往的热舒适控制方法，无论是从节能还是从用户的热感觉来看，室内热环境并不是最优的，主要原因在于空调控制系统并没有把人的需求考虑在内，因此我们提出一个新的空调控制方法。如图4所示。

该系统主要由用户机和服务器组成，服务器主要负责用户机与空调控制器的在线通讯。中间服务器会收集房间内各个用户机传来的用户请求并且通过LBC来决定要设置的温度值，然后把这些命令发给空调控制器来调节室内的热舒适情况。用户机就像终端一样把用户的请求传送给空调系统，同时他们也会从服务器那里得到有关整个系统的节能情况和其他用户的一些需求情况。

在用户的输入屏幕上有：“稍暖”“稍凉”两个请求选项，“很不舒适”、“不舒适”、“ 有点不舒适”、“中性”、“有点不舒适”、“不舒适”、“很不舒适”七个热舒适选项，还有“热”、“暖”、“有点暖”、“中性”、“有点凉”、“凉”、“ 冷”七个热感觉选项，如果用户想让室内环境稍暖些，则可以点击“稍暖”，同理点击“稍凉”，通过这个输入屏用户可以把他们的请求和所期望的热感觉发送给中间服务器。当然服务器收集用户的信息后会通过一系列的算法来确定控制器到底要怎样工作等一系列问题。

在这个系统中，各种信息的反馈［5］被认为是很重要的一部分，反馈环节的目的是让用户们能够接受这个系统，同时也能激发用户参与节能。

4、总结

热舒适指标控制实际上是传统温度控制的发展，把空调系统的控制目标从单纯的室内空气温、湿度控制转变到一种能衡量热环境对人体综合作用效果的热舒适指标的控制上来，使空调系统的控制随着人体舒适感的变化而变化，并且在保持人体舒适感的前提下，调节各个参数的组合，使系统的能耗最小。因此，采用舒适控制，能够在最大的程度上实现舒适与节能的统一。

虽然国外在舒适控制的研究上己经有较长的一段时间，并且有关舒适控制的相关产品已经问世，但在我国还处于起步阶段。随着对舒适与节能要求的日益提高，实现舒适控制也是HVAC系统的一个重要趋势之一。在现有的研究基础之上有必要在以下几个方面进行进一步的研究。

（１）热环境研究是暖通空调的基础研究之一，不同的种族、区域以及生活习惯对舒适的标准并不相同。因此应根据我国的实际情况，在综合国外研究的基础上开展针对我国人种特点的热生理学理论与实验研究。

（２）由于PMV指标的多变量、非线性特点以及HVAC的复杂性，在实现上采用经典控制理论有一定的难度。因此需进一步加强对各种高级智能控制策略的研究，以期更好地发挥舒适控制的优越性。