山 东 科 学 SHANDONGSCIENCE 第 29 卷 第 1 期 2016 年 2 月 出 版 Vol.29No.1Feb.2016 DOI:10.3976/j.isn.1002-4026.2016.01.019 基 于 PMV 指 标 的 室 内 环 境 热 舒 适 度 控 制 器 设 计 冯 鑫, 段 培 永, 段 晨 旭 ( 山 东 建 筑 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学 院, 山 东 济 南 250101) 摘 要 : 针 对 目 前 室 内 热 环 境 调 节 缺 少 合 理 控 制 方 法 的 问 题, 本 文 在 分 析 温 度 湿 度 风 速 和 平 均 辐 射 温 度 四 个 热 环 境 参 数 对 PMV 指 数 影 响 的 基 础 上, 基 于 人 体 舒 适 度 模 型 的 模 糊 控 制, 将 嵌 入 式 ARM9 芯 片 作 为 主 控 制 芯 片, 结 合 无 线 传 感 网 络, 设 计 了 一 种 室 内 舒 适 度 控 制 器, 并 阐 述 了 其 系 统 构 成 与 决 策 方 法 该 控 制 器 不 仅 布 设 方 便, 而 且 能 够 在 保 证 人 体 室 内 舒 适 度 的 情 况 下, 减 少 调 节 室 内 热 环 境 过 程 中 带 来 的 能 耗 关 键 词 :PMV 指 数 ; 热 舒 适 度 ; 模 糊 控 制 中 图 分 类 号 :TP272 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1002 4026(2016)01 0110 06 PMVindexbaseddesignofindoorthermalenvironmentcomfortcontroler FENG Xin,DUAN Pei yong,duan Chen xu (DepartmentofInformationandElectricalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China) Abstract Inviewoftheissueoflackingreasonablecontrolmethodinindoorthermalenvironmentregulation,wedesign anindoorthermalcomfortcontrolerbasedonanalysisoftheinfluenceofairtemperature,relativehumidity,meanradiant temperatureandairvelocityonpmv(predictedmeanvote)index,humanbodycomfortmodelbased fuzzycontrol, embeddedchiparm9andwirelesssensornetworks.wealsopresentitssystem compositionanddecisionmethod.the controlernotonlyisconvenienttobedeployed,butalsocanreduceenergyconsumptioncausedbyindoorthermal environmentregulationbasedonguaranteeinghumanbodycomfortindex. Keywords PMVindex;thermalcomfort;fuzzycontrol 我 国 的 建 筑 能 耗 约 占 总 能 耗 的 30%, 并 且 还 在 持 续 增 加, 其 中 暖 通 空 调 系 统 的 能 耗 占 建 筑 能 耗 的 30% ~60% [1] 在 2015 年 1 月 1 日 起 开 始 实 施 的 新 绿 色 建 筑 评 价 标 准 (GB/T50378 2014 [2] ) 中, 已 将 暖 通 空 调 的 能 耗 作 为 绿 色 建 筑 评 价 中 的 重 要 组 成 部 分 目 前 室 内 热 环 境 主 要 检 测 温 度 湿 度, 进 行 恒 温 恒 湿 控 制 [3], 却 忽 略 了 人 体 舒 适 感 在 室 内 热 环 境 控 制 中 的 主 体 地 位 在 一 些 舒 适 度 控 制 的 研 究 中 多 采 用 各 种 优 化 算 法 进 行 热 舒 适 度 的 建 模, 并 对 热 舒 适 度 进 行 预 测 [4-5], 复 杂 的 建 模 及 优 化 方 法 在 一 定 程 度 上 可 以 提 高 热 舒 适 度 的 控 制 精 度, 但 对 控 制 器 的 实 现 造 成 了 困 难 此 外, 在 相 关 研 究 所 建 立 的 空 气 调 节 模 型 中 仅 考 虑 人 体 的 舒 适 性, 没 有 考 虑 能 源 消 耗 这 一 因 素 [6] 因 此, 本 文 在 分 析 几 个 环 境 因 素 对 舒 适 度 影 响 的 基 础 上, 结 合 舒 适 度 评 价 指 标, 设 计 了 更 便 于 实 施 的 舒 适 度 控 制 方 法 收 稿 日 期 :2015 11 13 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (61374187) 作 者 简 介 : 冯 鑫 (1988-), 男, 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 智 能 环 境 与 网 络 化 控 制 研 究 Email:fengxin0205@126 com
第 1 期 冯 鑫, 等 : 基 于 PMV 指 标 的 室 内 环 境 热 舒 适 度 控 制 器 设 计 111 在 众 多 的 舒 适 度 的 评 价 指 标 中 [7], 本 文 选 用 最 具 代 表 性 的 预 测 平 均 投 票 指 标 (predictedmeanvote, PMV),PMV 指 标 最 早 由 丹 麦 教 授 Fanger 提 出 [8], 该 指 标 综 合 考 虑 了 相 对 湿 度 空 气 流 速 平 均 辐 射 温 度 以 及 人 体 活 动 情 况 着 衣 情 况 空 气 温 度 等 6 个 因 素, 代 表 了 大 多 数 人 的 冷 热 感 觉, 并 且 规 定 舒 适 度 指 标 值 F PMV 在 -0 5~0 5 时 为 舒 适 范 围 研 究 数 据 表 明, 在 PMV 指 标 的 指 导 下, 通 过 控 制 温 度 这 一 单 一 影 响 因 素 就 能 达 到 约 5 6% 的 节 能 效 果 [9], 并 且 其 在 冷 热 辐 射 系 统 (RHCS) 以 及 机 械 通 风 的 办 公 楼 热 舒 适 评 价 中 也 起 到 了 重 要 的 指 导 作 用 [10-11] 但 PMV 指 标 有 些 参 量 的 测 量 很 复 杂, 为 保 证 舒 适 度 控 制 精 度 以 及 控 制 算 法 更 加 便 于 实 施, 本 文 采 用 对 人 体 活 动 情 况 着 衣 情 况 做 近 似 处 理, 将 空 气 温 度 空 气 湿 度 和 空 气 流 速 作 为 输 入 参 数 与 控 制 量 的 方 法, 进 行 舒 适 度 控 制 器 的 设 计 根 据 室 内 不 同 的 热 环 境 状 况, 通 过 调 节 这 3 个 参 数 的 组 合, 例 如, 湿 度 在 30% ~60% 之 间 变 化 时, 温 度 可 以 在 26~27 变 化 [12], 再 加 入 风 量, 实 现 在 保 证 室 内 人 体 热 舒 适 度 的 前 提 下, 降 低 调 节 室 内 热 环 境 造 成 的 能 耗 1 热 环 境 参 数 对 舒 适 度 指 标 的 影 响 分 析 1 1 风 速 对 舒 适 度 指 数 的 影 响 假 定 平 均 辐 射 温 度 为 26, 相 对 湿 度 为 50%, 从 图 1 中 可 以 得 出 :(1) 风 速 v 越 大,F PMV 值 越 小, 而 且 风 速 对 PMV 指 标 的 影 响 随 着 风 速 的 增 加 越 来 越 小 研 究 表 明, 在 通 过 空 气 流 速 调 节 室 内 F PMV 值 时, 风 速 应 当 控 制 在 0 2 ~0 8m/s 的 范 围 内, 风 速 过 大 会 对 人 身 体 带 来 不 适 感 [12] (2) 空 气 温 度 t a 越 高, 风 速 对 F PMV 的 影 响 越 小, 在 舒 适 度 调 节 中 的 权 重 变 小 外 界 环 境 温 度 约 等 于 人 体 表 面 平 均 温 度 时, 风 速 这 一 单 一 因 素 对 F PMV 值 的 影 响 减 弱, 空 气 湿 度 在 舒 适 度 调 节 中 的 作 用 加 强 图 1 风 速 对 PMV 指 标 的 影 响 Fig 1 ImpactofairvelocityonPMVindex 图 2 相 对 湿 度 对 PMV 指 标 的 影 响 Fig 2 ImpactofrelativehumidityonPMVindex 1 2 空 气 湿 度 对 舒 适 度 指 标 的 影 响 人 体 皮 肤 表 面 散 失 的 热 量 与 空 气 湿 度 相 关, 从 而 影 响 人 体 舒 适 感 假 设 平 均 辐 射 温 度 为 26, 风 速 取 0 1m/s, 从 图 2 中 可 以 得 出 随 着 温 度 的 升 高, 空 气 湿 度 对 F PMV 值 的 影 响 越 来 越 明 显, 而 且 温 度 对 F PMV 值 影 响 要 大 于 湿 度 当 空 气 温 度 在 20~25 范 围 内, 相 对 湿 度 的 变 化 对 F PMV 值 的 影 响 并 不 明 显 ; 只 有 当 空 气 温 度 较 高 时, 空 气 湿 度 才 成 为 影 响 人 体 热 感 觉 的 重 要 因 素 1 3 空 气 温 度 对 舒 适 度 指 数 的 影 响 空 气 温 度 直 接 影 响 人 体 与 周 围 环 境 热 量 交 换 从 而 影 响 人 体 舒 适 感, 在 PMV 舒 适 指 标 中 所 占 的 权 重 最 大 PMV 指 标 将 冷 热 环 境 中 人 体 的 反 应 分 为 7 级 : 热 稍 热 暖 舒 适 凉 较 凉 和 冷, 分 别 对 应 了 PMV 指 标 的 7 个 值 :-3-2 -1 0 1 2 3 从 图 3 中 得 出, 在 不 同 的 辐 射 温 度 t r 下, 随 着 温 度 的 增 大,F PMV 值 呈 线 性 增 长, 并 且 从 曲 线 的 斜 率 中 也 可 以 看 出 空 气 温 度 对 F PMV 的 影 响 非 常 明 显
112 山 东 科 学 2016 年 1 4 平 均 辐 射 温 度 对 舒 适 度 指 标 的 影 响 平 均 辐 射 温 度 是 指 建 筑 物 围 护 结 构 表 面 所 辐 射 热 量 的 平 均 温 度, 它 对 室 内 的 环 境 温 度 会 有 影 响 从 图 4 中 可 以 得 出, 随 着 辐 射 温 度 的 上 升,F PMV 值 也 呈 线 性 上 升 趋 势, 这 与 空 气 温 度 对 F PMV 值 的 影 响 相 似, 在 本 文 中 对 平 均 辐 射 温 度 与 空 气 温 度 做 等 价 处 理 图 3 空 气 温 度 对 PMV 指 标 的 影 响 Fig 3 ImpactofairtemperatureonPMVindex 图 4 平 均 辐 射 温 度 对 PMV 指 标 的 影 响 Fig 4 ImpactofmeanradianttemperatureonPMVindex 在 舒 适 度 控 制 中, 空 气 温 度 t a 湿 度 风 速 v 和 平 均 辐 射 温 度 t r 四 个 因 素 是 环 境 变 量, 对 人 体 活 动 情 况 着 衣 情 况 两 个 变 量 是 属 于 不 可 控 制 的 变 量, 因 此 仅 分 析 了 四 个 环 境 变 量 对 舒 适 度 指 标 的 影 响 在 分 析 完 环 境 变 量 对 舒 适 度 指 标 的 影 响 之 后, 对 Fanger 公 式 (1)~(3) 中 变 量 根 据 北 方 室 内 的 实 际 情 况 作 近 似 处 理, 如 表 1 所 示 ; 温 度 湿 度 与 PMV 舒 适 度 指 标 的 变 量 值 F PMV 的 对 应 关 系, 如 表 2 所 示 F PMV =(0.303e -0.036M +0.028){(M-W-3.05 10-3 [5733-6.99(M-W)-P]-0.42[(M-W)- 58.15]-1.72 10-5 M(5867-P)-0.0014M(34-t a )-3.96 10-8 f cl [(t cl +273) 4 - (t r +273) 4 ]-f cl h c (t cl -t a )}, (1) W=η M, (2) 式 中,M 为 人 体 能 量 代 谢 率,W/m 2 ;W 为 人 体 活 动 量,W/m 2 ;η 为 机 械 效 率 ;P 为 空 气 中 水 蒸 气 分 压 力,P a ;t a 为 人 体 周 围 空 气 温 度, ;t r 为 房 间 的 平 均 辐 射 温 度, ;f cl 为 人 体 着 衣 面 积 与 裸 露 面 积 的 比 值 ;t cl 为 衣 服 外 表 面 温 度, t cl =35.7-0.028(M-W)-I cl {3.96 10-8 f cl [(t cl +273) 4 -(t r +273) 4 ]+f cl h c (t cl -t a }, (3) h c 为 表 面 传 热 系 数,W/(m 2 K);I cl 为 着 衣 热 阻,m 2 /W v a 为 室 内 风 速,m/s 变 量 { a h c = 2.38(t cl-t a ) 0.25,2.38(t cl -t a ) 0.25 >12.1 槡 va, (4) 12.1 槡 va,2.38(t cl -t a ) 0.25 <12.1 槡 v 表 1 近 似 处 理 的 变 量 值 Table1 Variablevaluesofapproximateprocesing 所 做 的 近 似 处 理 人 体 能 量 代 谢 率 /(W/m 2 ) 69 78( 轻 体 力 活 动 ) 着 衣 热 阻 /(m 2 /W) 冬 季 工 况 夏 季 工 况 0 11 0 094 室 内 风 速 /(m/s) 0 1 0 2 平 均 辐 射 温 度 / 平 均 辐 射 温 度 等 于 空 气 温 度, 即 t r =t a 服 装 面 积 系 数 f cl 1 1
第 1期 冯鑫 等 基于 PMV指标的室内环境热舒适度控制器设计 113 表 2中 M 69 78W m2 f 1 1 0 0 1 1 或 0 93 v 0 2m s 从表 2中可以看出 在风 0 速取 0 2m s 温度在 21 2 6 湿度在 2 0 80 之间变化时 温度与湿度在表中黑线区域内的取值可以 保证 PMV舒适度指标值 FPMV在 0 5 0 5之间变动 结合图 1风速对舒适度指标的影响 温度取定值时 空气流动可以使 PMV指标减小 综上所述 在夏季工况下 通过提高室内空调设定温度 相对湿度 再加上 适当风速对舒适度指标进行补偿 可保持舒适度指标在允许范围内 实现节能的目的 表 2 PMV输出值 FPMV Ta b e2 O p v a efpmv fpmv 2 舒适度控制系统结构 舒适度控制器系统主要由底层的执行模块 中间层的通信模块和上层的决策模块 3大部分组成 如图 5 所示 底层的执行模块包括热环境参数传感器和风扇 空调和加湿器执行机构 负责热环境参数的采集与调 节 中间层的通信模块由多个无线节点构成 负责热环境参数与控制参数 在决策模块与执行模块之间的传 输 上层的决策模块包括主控制芯片与外围电路 负责根据当前热环境参数计算出 PMV舒适度指标 以及 制定出舒适度策略 1 热环境传感器的检测参数 考虑到 PMV指标中 6个变量中人体活动程度 衣 服热阻不便于测量 结合表 2对相关变量做了近似处 理 因此选取合适的传感器仅实时检测空气温度 相对 湿度和风速 3个环境变量 2 通信层数据传输方式 在实际系统搭建的过程中 热环境传感器 风扇 空 调和加湿器在室内空间分布比较灵活 不同的空间分布 方式测得的 PMV指标 FPMV值可能不同 执行机构的执 行效果也不同 因此采用无线传感网络作为数据传输 方式 在灵活性和扩展性方面有着巨大的优势 3 决策层数据处理 图 5 舒适度控制器系统结构图 Fi g 5 S e f mf n e s y s e m 通信层传输来的热环境参数通过计算转换成实时的 PMV指标 根据 PMV控制策略控制执行机构 控制 温度 湿度和风速调节室内环境 执行机构可根据不同的控制方法采用不同的设置 风扇 空调和加湿器等装置的控制方法各有不同 但
114 山 东 科 学 2016 年 总 的 控 制 策 略 是 不 变 的, 通 过 主 控 制 器 控 制 不 同 的 执 行 机 构, 实 现 对 室 内 温 度 湿 度 和 风 速 的 调 节 3 PMV 控 制 策 略 及 方 法 3 1 PMV 控 制 策 略 在 实 现 调 节 F PMV 值 上, 风 速 调 节 的 能 耗 要 远 远 低 于 温 度 调 节 根 据 表 1 风 速 在 0 2m/s 温 度 在 26 湿 度 在 50% 时 的 F PMV 值 为 0 71, 再 结 合 图 1 风 速 对 F PMV 值 的 影 响 作 用, 通 过 将 风 速 从 0 2 提 高 到 0 6m/s 可 以 使 F PMV 值 减 小 到 0 5 以 下, 可 采 用 室 内 局 部 安 装 风 扇, 通 过 控 制 局 部 风 扇 的 风 速 实 现 PMV 调 节, 从 而 在 不 降 低 空 调 设 定 温 度 的 情 况 下, 控 制 PMV 舒 适 指 标 值 F PMV 在 的 -1~1 的 合 理 的 范 围 以 内 温 度 与 相 对 湿 度 之 间 具 有 较 强 的 耦 合 关 系, 水 蒸 气 分 压 力 P a 一 定 时, 湿 度 随 着 温 度 的 增 大 而 减 小, 反 之 增 大 从 图 2 中 可 以 看 出 在 不 同 的 温 度 下 F PMV 曲 线 斜 率 较 小, 说 明 一 定 温 度 下 湿 度 对 PMV 指 标 影 响 较 小 从 表 2 中 可 以 看 出, 当 湿 度 在 30% ~60% 之 间, 温 度 在 27 仍 可 保 证 F PMV 值 在 +1 以 下, 因 此 在 相 对 湿 度 较 低 时, 适 当 提 高 温 度 3 2 PMV 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 实 施 [13], 具 体 控 制 方 法 为 检 测 3 个 环 境 参 数 温 度 相 对 湿 度 和 风 速 把 采 集 到 的 热 环 境 数 据 输 入 控 制 器 中, 通 过 温 度 湿 度 值 与 F PMV 转 换 表 得 到 实 时 的 PMV 指 标, 然 后 将 F PMV 值 作 为 模 糊 控 制 器 的 目 标 值, 若 F PMV 在 合 理 范 围 ±0 5 内, 则 控 制 器 不 对 输 出 信 号 U 做 修 正 否 则, 控 制 器 就 要 在 保 持 F PMV 不 变 的 基 础 上, 控 制 温 度 湿 度 和 风 速 调 节 室 内 环 境 模 糊 控 制 器 的 系 统 结 构 如 图 6 所 示 图 6 模 糊 控 制 系 统 框 图 Fig 6 Blockdiagramoffuzycontrolsystem 首 先 控 制 器 测 得 实 际 的 温 度 值 t a 风 速 v 湿 度 值 h r, 由 上 文 经 舒 适 度 模 型 运 算 查 表 2 得 出 目 前 实 际 的 F PMV1 值, 将 控 制 器 设 定 的 舒 适 度 值 F PMV0 与 F PMV1 进 行 比 较, 得 到 舒 适 度 的 偏 差 值,e=ΔF PMV 即 为 两 者 差 值 的 绝 对 值, 然 后 根 据 e 与 1 的 比 较 进 行 不 同 的 计 算 当 e>1 时, 采 用 PID 参 数 自 组 织 模 糊 控 制 方 法, 根 据 E 和 Ec 的 变 化 情 况, 对 PID 的 参 数 K p K i 及 时 间 变 量 T 进 行 在 线 自 整 定 当 e<1 时, 计 算 得 出 舒 适 度 偏 差 值 e 的 变 化 率 ec=de/dt, 将 舒 适 度 偏 差 值 e 与 舒 适 度 偏 差 值 变 化 率 ec, 分 别 进 行 模 糊 化 得 到 模 糊 量 E 和 EC(E 为 舒 适 度 偏 差 论 域,EC 为 舒 适 度 偏 差 变 化 率 论 域 ),E EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6} 经 过 模 糊 推 理 得 到 给 定 信 号 U
第 1 期 冯 鑫, 等 : 基 于 PMV 指 标 的 室 内 环 境 热 舒 适 度 控 制 器 设 计 115 4 结 语 本 文 在 分 析 室 内 热 环 境 因 素 对 PMV 舒 适 度 指 标 影 响 的 基 础 上, 对 舒 适 度 控 制 器 进 行 了 系 统 设 计, 通 过 模 糊 控 制 决 策 得 出 温 度 湿 度 和 风 速 的 设 定 值, 为 舒 适 度 的 控 制 提 供 了 更 加 便 于 使 用 的 数 据 采 用 嵌 入 式 系 统 与 无 线 传 感 网 络 的 结 合, 也 更 加 有 利 于 舒 适 度 系 统 控 制 策 略 的 实 施 在 下 一 步 的 工 作 中, 需 要 完 成 对 控 制 器 硬 件 电 路 部 分 的 设 计 与 制 作, 进 行 对 舒 适 度 控 制 策 略 方 面 的 完 善, 最 终 在 保 证 人 体 舒 适 度 的 前 提 下 实 现 节 能 的 目 的 参 考 文 献 : [1] 杨 昌 智, 张 清 琳, 杨 菊 菊, 等 定 温 控 制 空 调 系 统 的 舒 适 性 及 节 能 性 分 析 [J] 湖 南 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版,2012,39(5): 18-22 [2] 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部, 中 华 人 民 共 和 国 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 GB/T50378-2014 绿 色 建 筑 评 价 标 准 [S] 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,2015 [3] 周 驰, 乐 贵 高, 陈 福 红, 等 基 于 ATmega128 的 精 密 空 调 控 制 系 统 设 计 [J] 机 械 与 电 子,2014(9):56-59. [4] 张 玲 空 调 热 舒 适 度 预 测 及 控 制 算 法 研 究 [D] 长 沙 : 湖 南 大 学,2014 [5] 段 培 永, 刘 聪 聪, 段 晨 旭, 等 基 于 粒 子 群 优 化 的 室 内 动 态 热 舒 适 度 控 制 方 法 [J] 信 息 与 控 制,2013,42(1):100-110 [6] 贺 培 春 基 于 舒 适 度 的 室 内 空 气 调 节 系 统 研 究 [D] 重 庆 : 重 庆 大 学,2010 [7]ALFANOFRD,OLESENBW,PALELLABI,etal Thermalcomfort:Designandasesmentforenergysaving[J] Energy andbuildings,2014,81:326-336 [8]FANGERPO Thermalcomfort:Analysisandapplicationsinenvironmentalengineering[M] NewYork,US:McGraw Hil, 1970 [9]HANH,LEEJ,KIM J,etal Thermalcomfortcontrolbasedonasimplifiedpredictedmeanvoteindex[J] EnergyProcedia, 2014,61:970-974 [10]BEGHIA,CECCHINATOL,RAMPAZZOM Thermalandcomfortcontrolforradiantheating/coolingsystems[M]//2011IEEE InternationalConferenceonControlApplications(CCA) IEEE,2011:258-263 [11]SOUTULLOS,ENR?QUEZR,JIM?NEZM J,etal Thermalcomfortevaluationinamechanicalyventilatedoficebuilding locatedinacontinentalclimate[j] EnergyandBuildings,2014,81:424-429 [12] 段 晨 旭, 李 建 新, 李 慧, 等 基 于 人 体 热 舒 适 度 模 型 的 模 糊 温 度 控 制 器 [C]//2005 年 中 国 智 能 自 动 化 会 议 论 文 集 青 岛 : 中 国 自 动 化 学 会 智 能 自 动 化 专 业 委 员 会, 中 国 科 学 院 自 动 化 研 究 所,2005 [13]BERMEJOP,REDONDOL,delaOSSAL,etal Designandsimulationofathermalcomfortadaptivesystembasedonfuzy logicandonlinelearning[j] EnergyandBuildings,2012,49:367-379