基于PMV指標(biāo)的室內(nèi)環(huán)境熱舒適度控制器設(shè)計(jì)

馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東　濟(jì)南　250101）

基于PMV指標(biāo)的室內(nèi)環(huán)境熱舒適度控制器設(shè)計(jì)

馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

摘要：針對(duì)目前室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)缺少合理控制方法的問(wèn)題，本文在分析溫度、濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度四個(gè)熱環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV指數(shù)影響的基礎(chǔ)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(jié)合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)舒適度控制器，并闡述了其系統(tǒng)構(gòu)成與決策方法。該控制器不僅布設(shè)方便，而且能夠在保證人體室內(nèi)舒適度的情況下，減少調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境過(guò)程中帶來(lái)的能耗。

關(guān)鍵詞：PMV指數(shù)；熱舒適度；模糊控制

我國(guó)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(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑能耗的30%～60%［1］。在2015年1月1日起開(kāi)始實(shí)施的新綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50378-2014［2］）中，已將暖通空調(diào)的能耗作為綠色建筑評(píng)價(jià)中的重要組成部分。目前室內(nèi)熱環(huán)境主要檢測(cè)溫度、濕度，進(jìn)行恒溫恒濕控制［3］，卻忽略了人體舒適感在室內(nèi)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(jìn)行熱舒適度的建模，并對(duì)熱舒適度進(jìn)行預(yù)測(cè)［4－5］，復(fù)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(duì)控制器的實(shí)現(xiàn)造成了困難。此外，在相關(guān)研究所建立的空氣調(diào)節(jié)模型中僅考慮人體的舒適性，沒(méi)有考慮能源消耗這一因素［6］。因此，本文在分析幾個(gè)環(huán)境因素對(duì)舒適度影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了更便于實(shí)施的舒適度控制方法。

在眾多的舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)中［7］，本文選用最具代表性的預(yù)測(cè)平均投票指標(biāo)（predictedmeanvote，PMV），PMV指標(biāo)最早由丹麥教授Fanger提出［8］，該指標(biāo)綜合考慮了相對(duì)濕度、空氣流速、平均輻射溫度以及人體活動(dòng)情況、著衣情況、空氣溫度等6個(gè)因素，代表了大多數(shù)人的冷熱感覺(jué)，并且規(guī)定舒適度指標(biāo)值FPMV在－0.5～0.5時(shí)為舒適范圍。研究數(shù)據(jù)表明，在PMV指標(biāo)的指導(dǎo)下，通過(guò)控制溫度這一單一影響因素就能達(dá)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(jī)械通風(fēng)的辦公樓熱舒適評(píng)價(jià)中也起到了重要的指導(dǎo)作用［10－11］。但PMV指標(biāo)有些參量的測(cè)量很復(fù)雜，為保證舒適度控制精度以及控制算法更加便于實(shí)施，本文采用對(duì)人體活動(dòng)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(jìn)行舒適度控制器的設(shè)計(jì)。根據(jù)室內(nèi)不同的熱環(huán)境狀況，通過(guò)調(diào)節(jié)這3個(gè)參數(shù)的組合，例如，濕度在30%～60%之間變化時(shí)，溫度可以在26～27℃變化［12］，再加入風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)在保證室內(nèi)人體熱舒適度的前提下，降低調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境造成的能耗。

1　熱環(huán)境參數(shù)對(duì)舒適度指標(biāo)的影響分析

1.1風(fēng)速對(duì)舒適度指數(shù)的影響

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

圖1　風(fēng)速對(duì)PMV指標(biāo)的影響Fig.1　Impact　of　air　velocity　on　PMV　index

圖2　相對(duì)濕度對(duì)PMV指標(biāo)的影響Fig.2　Impact　of　relative　humidity　on　PMV　index

1.2空氣濕度對(duì)舒適度指標(biāo)的影響

人體皮膚表面散失的熱量與空氣濕度相關(guān)，從而影響人體舒適感。假設(shè)平均輻射溫度為26℃，風(fēng)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(duì)FPMV值的影響越來(lái)越明顯，而且溫度對(duì)FPMV值影響要大于濕度。當(dāng)空氣溫度在20～25℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度的變化對(duì)FPMV值的影響并不明顯；只有當(dāng)空氣溫度較高時(shí)，空氣濕度才成為影響人體熱感覺(jué)的重要因素。

1.3空氣溫度對(duì)舒適度指數(shù)的影響

空氣溫度直接影響人體與周?chē)h(huán)境熱量交換從而影響人體舒適感，在PMV舒適指標(biāo)中所占的權(quán)重最大。PMV指標(biāo)將冷熱環(huán)境中人體的反應(yīng)分為7級(jí)：熱、稍熱、暖、舒適、涼、較涼和冷，分別對(duì)應(yīng)了PMV指標(biāo)的7個(gè)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(xiàn)性增長(zhǎng)，并且從曲線(xiàn)的斜率中也可以看出空氣溫度對(duì)FPMV的影響非常明顯。

1.4平均輻射溫度對(duì)舒適度指標(biāo)的影響

平均輻射溫度是指建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面所輻射熱量的平均溫度，它對(duì)室內(nèi)的環(huán)境溫度會(huì)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(xiàn)性上升趨勢(shì)，這與空氣溫度對(duì)FPMV值的影響相似，在本文中對(duì)平均輻射溫度與空氣溫度做等價(jià)處理。

圖3　空氣溫度對(duì)PMV指標(biāo)的影響Fig.3　Impact　of　air　temperature　on　PMV　index

圖4　平均輻射溫度對(duì)PMV指標(biāo)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(fēng)速v和平均輻射溫度tr四個(gè)因素是環(huán)境變量，對(duì)人體活動(dòng)情況、著衣情況兩個(gè)變量是屬于不可控制的變量，因此僅分析了四個(gè)環(huán)境變量對(duì)舒適度指標(biāo)的影響。

在分析完環(huán)境變量對(duì)舒適度指標(biāo)的影響之后，對(duì)Fanger公式（1）～（3）中變量根據(jù)北方室內(nèi)的實(shí)際情況作近似處理，如表1所示；溫度、濕度與PMV舒適度指標(biāo)的變量值FPMV的對(duì)應(yīng)關(guān)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(dòng)量，W/m2；η為機(jī)械效率；P為空氣中水蒸氣分壓力，Pa；ta為人體周?chē)諝鉁囟?，℃；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(nèi)風(fēng)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(fēng)速取0.2m/s，溫度在21～26℃，濕度在20%～80%之間變化時(shí)，溫度與濕度在表中黑線(xiàn)區(qū)域內(nèi)的取值可以保證PMV舒適度指標(biāo)值FPMV在－0.5～0.5之間變動(dòng)。結(jié)合圖1風(fēng)速對(duì)舒適度指標(biāo)的影響，溫度取定值時(shí)，空氣流動(dòng)可以使PMV指標(biāo)減小。綜上所述，在夏季工況下，通過(guò)提高室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度、相對(duì)濕度，再加上適當(dāng)風(fēng)速對(duì)舒適度指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，可保持舒適度指標(biāo)在允許范圍內(nèi)，實(shí)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(jié)構(gòu)

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(fēng)扇、空調(diào)和加濕器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)熱環(huán)境參數(shù)的采集與調(diào)節(jié)。中間層的通信模塊由多個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前熱環(huán)境參數(shù)計(jì)算出PMV舒適度指標(biāo)，以及制定出舒適度策略。

圖5　舒適度控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure　of　comfort　controller　system

（1）熱環(huán)境傳感器的檢測(cè)參數(shù)

考慮到PMV指標(biāo)中6個(gè)變量中人體活動(dòng)程度、衣服熱阻不便于測(cè)量，結(jié)合表2對(duì)相關(guān)變量做了近似處理。因此選取合適的傳感器僅實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速3個(gè)環(huán)境變量。

（2）通信層數(shù)據(jù)傳輸方式

在實(shí)際系統(tǒng)搭建的過(guò)程中，熱環(huán)境傳感器、風(fēng)扇、空調(diào)和加濕器在室內(nèi)空間分布比較靈活，不同的空間分布方式測(cè)得的PMV指標(biāo)FPMV值可能不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行效果也不同。因此采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在靈活性和擴(kuò)展性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

（3）決策層數(shù)據(jù)處理

通信層傳輸來(lái)的熱環(huán)境參數(shù)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)的PMV指標(biāo)，根據(jù)PMV控制策略控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制溫度、濕度和風(fēng)速調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的控制方法采用不同的設(shè)置，風(fēng)扇、空調(diào)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(guò)主控制器控制不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)速的調(diào)節(jié)。

3　PMV控制策略及方法

3.1PMV控制策略

在實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)FPMV值上，風(fēng)速調(diào)節(jié)的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫度調(diào)節(jié)。根據(jù)表1風(fēng)速在0.2m/s、溫度在26℃、濕度在50%時(shí)的FPMV值為0.71，再結(jié)合圖1風(fēng)速對(duì)FPMV值的影響作用，通過(guò)將風(fēng)速?gòu)?.2提高到0.6m/s可以使FPMV值減小到0.5以下，可采用室內(nèi)局部安裝風(fēng)扇，通過(guò)控制局部風(fēng)扇的風(fēng)速實(shí)現(xiàn)PMV調(diào)節(jié)，從而在不降低空調(diào)設(shè)定溫度的情況下，控制PMV舒適指標(biāo)值FPMV在的－1～1的合理的范圍以?xún)?nèi)。

溫度與相對(duì)濕度之間具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，水蒸氣分壓力Pa一定時(shí)，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(xiàn)斜率較小，說(shuō)明一定溫度下濕度對(duì)PMV指標(biāo)影響較小。從表2中可以看出，當(dāng)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(duì)濕度較低時(shí)，適當(dāng)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(shí)施［13］，具體控制方法為檢測(cè)3個(gè)環(huán)境參數(shù)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速。把采集到的熱環(huán)境數(shù)據(jù)輸入控制器中，通過(guò)溫度、濕度值與FPMV轉(zhuǎn)換表得到實(shí)時(shí)的PMV指標(biāo)，然后將FPMV值作為模糊控制器的目標(biāo)值，若FPMV在合理范圍±0.5內(nèi)，則控制器不對(duì)輸出信號(hào)U做修正。否則，控制器就要在保持FPMV不變的基礎(chǔ)上，控制溫度、濕度和風(fēng)速調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。模糊控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)得實(shí)際的溫度值ta、風(fēng)速v、濕度值hr，由上文經(jīng)舒適度模型運(yùn)算查表2得出目前實(shí)際的FPMV1值，將控制器設(shè)定的舒適度值FPMV0與FPMV1進(jìn)行比較，得到舒適度的偏差值，e＝ΔFPMV即為兩者差值的絕對(duì)值，然后根據(jù)e與1的比較進(jìn)行不同的計(jì)算。當(dāng)e＞1時(shí)，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(duì)PID的參數(shù)Kp、Ki及時(shí)間變量T′進(jìn)行在線(xiàn)自整定。當(dāng)e＜1時(shí)，計(jì)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(jìn)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(jīng)過(guò)模糊推理得到給定信號(hào)U。

4　結(jié)語(yǔ)

本文在分析室內(nèi)熱環(huán)境因素對(duì)PMV舒適度指標(biāo)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)舒適度控制器進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)模糊控制決策得出溫度、濕度和風(fēng)速的設(shè)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，也更加有利于舒適度系統(tǒng)控制策略的實(shí)施。在下一步的工作中，需要完成對(duì)控制器硬件電路部分的設(shè)計(jì)與制作，進(jìn)行對(duì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊昌智，張清琳，楊菊菊，等.定溫控制空調(diào)系統(tǒng)的舒適性及節(jié)能性分析［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，39（5）：18－22.

［2］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T50378－2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［3］周馳，樂(lè)貴高，陳福紅，等.基于ATmega128的精密空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2014（9）：56－59.

［4］張玲.空調(diào)熱舒適度預(yù)測(cè)及控制算法研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

［5］段培永，劉聰聰，段晨旭，等.基于粒子群優(yōu)化的室內(nèi)動(dòng)態(tài)熱舒適度控制方法［J］.信息與控制，2013，42（1）：100－110.

［6］賀培春.基于舒適度的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.

［7］ALFANOFRD，OLESENBW，PALELLABI，etal.Thermalcomfort：Designandassessmentforenergysaving［J］.EnergyandBuildings，2014，81：326－336.

［8］FANGERPO.Thermalcomfort：Analysisandapplicationsinenvironmentalengineering［M］.NewYork，US：McGraw-Hill，1970.

［9］HANH，LEEJ，KIMJ，etal.Thermalcomfortcontrolbasedonasimplifiedpredictedmeanvoteindex［J］.EnergyProcedia，2014，61：970－974.

［10］BEGHIA，CECCHINATOL，RAMPAZZOm.Thermalandcomfortcontrolforradiantheating/coolingsystems［M］//2011IEEEInternationalConferenceonControlApplications（CCA）.IEEE，2011：258－263.

［11］SOUTULLOS，ENR?QUEZR，JIM?NEZmJ，etal.Thermalcomfortevaluationinamechanicallyventilatedofficebuildinglocatedinacontinentalclimate［J］.EnergyandBuildings，2014，81：424－429.

［12］段晨旭，李建新，李慧，等.基于人體熱舒適度模型的模糊溫度控制器［C］//2005年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集.青島：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，2005.

［13］BERMEJOP，REDONDOL，delaOSSAL，etal.Designandsimulationofathermalcomfortadaptivesystembasedonfuzzylogicandonlinelearning［J］.EnergyandBuildings，2012，49：367－379.

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(lèi)號(hào)：TP272

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61374187）

作者簡(jiǎn)介：馮鑫（1988－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄墉h(huán)境與網(wǎng)絡(luò)化控制研究。Email：fengxin0205＠126.com