基于室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的空調(diào)系統(tǒng)控制方法綜述

黃妙虹 廖云丹，2，3* 曹世杰，2，3

1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

2 廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院

3 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

公共建筑是我國(guó)建筑的高耗能領(lǐng)域，2016 年我國(guó)公建總電力消耗為6896 億kWh[1]。其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為50%～60%[2]，某些一線城市高達(dá)70%以上[3]。室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇是降低公建能耗的關(guān)鍵。近年來許多人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了探索[4-7]，個(gè)性化送風(fēng)[8]、智能化通風(fēng)[6-7]等節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)也得到快速發(fā)展。合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)不僅能較好地表達(dá)室內(nèi)熱質(zhì)環(huán)境，還應(yīng)能與空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特征相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行[8-9]。為了更好地了解室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)與空調(diào)系統(tǒng)控制的研究現(xiàn)狀，本文首先對(duì)傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境控制方法進(jìn)行分析。接著，從熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)兩個(gè)維度論述室內(nèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)及控制的研究進(jìn)展。最后，對(duì)室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。

1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境控制方法是以特定參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)代表整個(gè)室內(nèi)的熱環(huán)境與空氣品質(zhì)，并將測(cè)得的參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的控制參數(shù)。如圖1 所示，典型的室內(nèi)熱環(huán)境控制理念是以空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)溫度代表室內(nèi)熱環(huán)境，利用溫度差值設(shè)定控制算法調(diào)節(jié)冷凍水量或送風(fēng)量，使代表溫度接近設(shè)定值，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境[6]?；跍囟仍O(shè)定值的控制，成本較低，操作簡(jiǎn)單。但室內(nèi)設(shè)備、墻體具有一定的蓄熱/冷能力，及空調(diào)系統(tǒng)存在的測(cè)量誤差、運(yùn)行誤差、控制誤差等，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)存在延滯性，造成大量的能源浪費(fèi)[10]。實(shí)際上這種方式并不利于行為節(jié)能，無法充分體現(xiàn)個(gè)性化，動(dòng)態(tài)的熱舒適[11]。同理，對(duì)空氣品質(zhì)的控制常采用某個(gè)點(diǎn)的CO2濃度作為指標(biāo)，進(jìn)行新風(fēng)量和通風(fēng)量的控制。而這個(gè)指標(biāo)實(shí)際上并不能代表呼吸區(qū)的CO2濃度及污染物分布情況，過量的通風(fēng)導(dǎo)致了空調(diào)系統(tǒng)的能耗居高不下[13]。優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境的控制，需要一個(gè)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)描述室內(nèi)環(huán)境狀況以指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，提高能源效率。下文分別從熱舒適、空氣品質(zhì)控制兩個(gè)角度出發(fā)，論述近年來室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)研究進(jìn)展以及如何結(jié)合這些指標(biāo)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

圖1 傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境控制方法示意圖

2 基于熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制方法

建筑環(huán)境舒適度是指人們對(duì)客觀環(huán)境從心理和生理方面所感受到的滿意程度，是人體舒適感眾多因素綜合作用的結(jié)果，例如：空氣溫度、濕度、風(fēng)速、人體的衣著熱阻等[14]?；跓崾孢m需求的控制就是以熱舒適指標(biāo)作為控制目標(biāo)，對(duì)室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制[15]。傳統(tǒng)控制方法主要基于以上客觀參數(shù)與設(shè)定值的關(guān)系進(jìn)行控制，缺乏對(duì)人員主觀感受的考慮。而實(shí)際研究表明，當(dāng)室內(nèi)人員感到具有對(duì)環(huán)境的控制能力時(shí)，更容易對(duì)環(huán)境感到滿意和舒適，并產(chǎn)生行為節(jié)能[15]。當(dāng)室內(nèi)人員具有表達(dá)主觀熱感覺并具有環(huán)境可控行為時(shí)，行為節(jié)能的潛力約為5%～20%[11]。因此，近年來許多學(xué)者對(duì)基于熱舒適需求的空調(diào)控制進(jìn)行研究，開發(fā)了如基于PMV 的控制、基于熱感覺表達(dá)的控制、基于熱感覺預(yù)測(cè)的控制等方法。

基于PMV 的控制綜合考慮室內(nèi)溫度、濕度、氣流速度、平均輻射溫度、服裝熱阻、人體代謝率六大因素，通過計(jì)算模型得出PMV 值表達(dá)人體熱感覺，根據(jù)PMV 指標(biāo)偏差及偏差變化率，應(yīng)用模糊控制邏輯[17]或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來求解PMV 值[18]實(shí)時(shí)修正得出最優(yōu)的溫度設(shè)定值控制空調(diào)系統(tǒng)。這一類方法充分考慮影響人體熱舒適的各項(xiàng)反應(yīng)，針對(duì)人員的主觀需求進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)優(yōu)化溫濕度設(shè)定值，可達(dá)到滿足熱舒適需求又減少通風(fēng)量的目的。

基于PMV 指標(biāo)的控制方法建立在人體穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡熱舒適方程的基礎(chǔ)上，并依賴于穩(wěn)態(tài)方程，不適用于動(dòng)態(tài)熱舒適的計(jì)算[19]，并且難以表達(dá)個(gè)性化需求[21]。為此，很多研究人員嘗試以其他指標(biāo)來代替設(shè)定值進(jìn)行控制，例如基于熱感覺表達(dá)的控制[20-22]。大多數(shù)人無法確定使他們感到舒適的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)確切值，但可以準(zhǔn)確的表達(dá)當(dāng)前冷熱干濕的熱感覺[22]。因此可以室內(nèi)人員冷熱抱怨作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制[20]。在此基礎(chǔ)上Wang[5]等人利用人機(jī)界面（HMI）以用戶的熱感覺作為輸入信號(hào)，通過解釋器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)優(yōu)化后發(fā)送給空調(diào)系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 基于熱感覺表達(dá)的控制方法

基于熱感覺表達(dá)的控制方式與傳統(tǒng)控制方式相比這類方法，將關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)人員上，充分體現(xiàn)了個(gè)性化。但頻繁的表達(dá)熱感覺可能會(huì)打斷工作者的思路、浪費(fèi)寶貴的工作時(shí)間。針對(duì)這些缺陷，研究人員開發(fā)了基于熱感覺預(yù)測(cè)的控制方法[23]。此類方法是利用室內(nèi)人員的生理參數(shù)（如心率、人體皮膚溫度等）作為描述室內(nèi)熱狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由在線自學(xué)習(xí)的方法建立用戶的個(gè)性化、動(dòng)態(tài)的熱舒適模型，通過模糊邏輯來確定最優(yōu)的溫度設(shè)定值，從而控制空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行滿足用戶熱舒適要求，如圖3。目前基于熱感覺預(yù)測(cè)的新技術(shù)主要有：紅外探頭遙測(cè)[23]、智能手環(huán)監(jiān)測(cè)[7]等智能識(shí)別技術(shù)。這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是受試者無需對(duì)室內(nèi)環(huán)境的感受進(jìn)行表達(dá)或進(jìn)行相關(guān)操作。此方式的靈敏性較高，具備較高的可靠性，并且其測(cè)量與操作較簡(jiǎn)單，可以用來評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的人體熱舒適程度。

圖3 基于熱感覺預(yù)測(cè)的控制方法

以上分析可以看出，基于熱舒適需求的新型空調(diào)控制方法是以人體舒適指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并利用最優(yōu)舒適值控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。與傳統(tǒng)空調(diào)控制方式相比，以熱舒適作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了室內(nèi)人員的主觀感受上，針對(duì)性和個(gè)性化更強(qiáng)，不但可提高人員的熱舒適感覺，還能利用室內(nèi)人員的主動(dòng)行為和優(yōu)化控制方法來實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行[24]。由于室內(nèi)環(huán)境的多樣性，人員活動(dòng)的復(fù)雜性，個(gè)體的差異性，系統(tǒng)識(shí)別的精確性往往難以達(dá)到預(yù)期精度要求，增大了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的不確定性和挑戰(zhàn)[25]。

3 基于空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制方法

室內(nèi)空氣的污染直接影響室內(nèi)人員的健康，同時(shí)也是誘發(fā)多種疾病的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)室內(nèi)空氣污染可導(dǎo)致27%的缺血性心臟病，18%的中風(fēng)以及大量的兒童過敏性疾病[26-27。]良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)不僅可以降低工作人員的曠工率，也有助于提高工作效率[25，28]。建筑通風(fēng)能耗占建筑設(shè)備總能耗的30%～60%[29]，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣品質(zhì)的高效節(jié)能控制，關(guān)鍵要有完善的通風(fēng)系統(tǒng)和高效的控制方法[30]。清華大學(xué)李先庭團(tuán)隊(duì)在其研究中指出，室內(nèi)環(huán)境多為非均勻環(huán)境，發(fā)展面向需求的高效氣流組織方式是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境高效節(jié)能控制的重要途徑[31]。發(fā)展面向需求的高效通風(fēng)方式，關(guān)鍵是了解室內(nèi)污染源的分布。在不斷變化的污染物衰減問題上，Cao[32]等開發(fā)了瞬態(tài)污染物擴(kuò)散的降階通風(fēng)模型能夠快速預(yù)測(cè)室內(nèi)污染物的分布。在污染物濃度的控制策略方面，Nassif[33]利用在線控制將室內(nèi)污染物進(jìn)行分類，繪制成室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量交互式地圖，識(shí)別出室內(nèi)污染源最嚴(yán)重的地區(qū)，根據(jù)實(shí)際的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量。

在有效識(shí)別污染源分布的基礎(chǔ)上，許多更具針對(duì)性和靈活性的空調(diào)通風(fēng)模式得到了發(fā)展，如層式通風(fēng)[34-35]、多模式通風(fēng)[36]等。相對(duì)于傳統(tǒng)的單一恒定通風(fēng)模式，這些通風(fēng)模式以污染源的分布作為控制對(duì)象（指標(biāo)），進(jìn)行局部區(qū)域的動(dòng)態(tài)通風(fēng)調(diào)節(jié)。例如，層式通風(fēng)以呼吸區(qū)的溫度和污染物分布為指標(biāo)，把處理后的空氣水平直接送入呼吸區(qū)，提高了送風(fēng)的針對(duì)性和送風(fēng)溫度，可實(shí)現(xiàn)在保證相同的舒適性和較好的空氣質(zhì)量的同時(shí)，送風(fēng)能耗相比傳統(tǒng)通風(fēng)方式降低44%以上[37]。多模式通風(fēng)則可通過污染物濃度分布的測(cè)試或預(yù)測(cè)，結(jié)合通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最優(yōu)通風(fēng)策略，使得污染物濃度和換氣效率達(dá)到最小值[36]，如圖4。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明基于污染源預(yù)測(cè)的多模式通風(fēng)控制可降低室內(nèi)污染物濃度30%并節(jié)省通風(fēng)能耗50%以上[36]。還有學(xué)者[38]提出一種基于CO2需求的通風(fēng)控制策略（DVC），并提出室內(nèi)污染物濃度與溫度之間存在一個(gè)最佳耦合。Fan[39]等對(duì)DVC 系統(tǒng)進(jìn)行了能耗模擬，結(jié)果表明此方法在保證室內(nèi)人員舒適的同時(shí)可提高通風(fēng)效率，大大降低了系統(tǒng)能耗。Qin CC 等[40]通過建立最佳通風(fēng)頻率預(yù)測(cè)模型，得出最佳換氣次數(shù)和通風(fēng)節(jié)能率。而Qin C等[41]則開發(fā)了基于室外干球溫度聯(lián)合控制空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)扇的通風(fēng)效率來優(yōu)化室內(nèi)空氣品質(zhì)并降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗。另外，一些先進(jìn)的算法，如進(jìn)化算法[42-43]、遺傳算法[44]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[36]等也常被用于通風(fēng)率的控制，以期實(shí)現(xiàn)滿足空氣品質(zhì)需求的同時(shí)降低空調(diào)能耗。

圖4 基于污染源預(yù)測(cè)的多模式通風(fēng)控制策略

以上分析可以看出，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)控制越來越關(guān)注受控空間的污染源分布，并以動(dòng)態(tài)控制方式來實(shí)現(xiàn)用最小的通風(fēng)量來控制污染源的擴(kuò)散和去除。相比于傳統(tǒng)粗放型的均勻空間CO2濃度控制方法，新的控制發(fā)展更能減少人員在受污染空氣中的暴露時(shí)間以及交叉污染，同時(shí)可大幅度降低通風(fēng)能耗。然而，污染源的分布及擴(kuò)散均屬于動(dòng)態(tài)過程，快速識(shí)別技術(shù)和預(yù)測(cè)控制技術(shù)是關(guān)鍵所在。

4 室內(nèi)環(huán)境控制面臨的挑戰(zhàn)

隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)舒適健康的追求和節(jié)能減排的要求，室內(nèi)環(huán)境的控制已逐步走向局域化（非均勻性）、個(gè)性化和智能化，人員主觀感受、客觀參數(shù)預(yù)測(cè)、污染源的分布與預(yù)測(cè)等更具體化、更有針對(duì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)也得到了應(yīng)用，并促使了一系列新型節(jié)能控制方式的發(fā)展。然而，如何有效評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境，并結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行高效的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)的控制，仍是一個(gè)國(guó)內(nèi)外極具挑戰(zhàn)的科學(xué)難題。

首先，室內(nèi)環(huán)境是熱質(zhì)耦合的物理場(chǎng)，熱舒適與室內(nèi)空氣品質(zhì)之間存在著密切聯(lián)系。研究證明[45]在一定溫度范圍內(nèi)，隨著室溫的升高熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化趨勢(shì)是相同的。文獻(xiàn)[46]則指送風(fēng)溫度增加時(shí)，熱浮力的負(fù)面影響增大、湍流擴(kuò)散能力變?nèi)鯇?dǎo)致CO2濃度升高、室內(nèi)空氣品質(zhì)變差，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示送風(fēng)溫度增加1 ℃將導(dǎo)致CO2濃度增加約1.2%。如何合理表達(dá)熱舒適指標(biāo)與空氣品質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，并以有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)來描述室內(nèi)熱質(zhì)環(huán)境，從而優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，是目前室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)和控制面臨的一大挑戰(zhàn)。

其次，室內(nèi)污染物和溫度分布存在時(shí)空非均勻分布特性。送風(fēng)溫度從出風(fēng)口到工作區(qū)存在著明顯的溫度梯度效應(yīng)，送風(fēng)溫差越大，溫度分層則越明顯，容易導(dǎo)致局部熱不適[47]。非空調(diào)區(qū)域的上部熱量聚積對(duì)空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷產(chǎn)生的影響十分的顯著，熱量的遷移伴隨著大量的能耗損失[48]。而且污染物的分布和擴(kuò)散速度則與通風(fēng)模式、通風(fēng)效率有很大關(guān)系。因此，如何有效描述室內(nèi)污染和溫度的分布特性，對(duì)非均勻環(huán)境中的有效區(qū)域進(jìn)行高效的控制，減少空調(diào)系統(tǒng)在其他空間中不必要的能源浪費(fèi)，是室內(nèi)環(huán)境控制的第二大難題。

另外，空調(diào)系統(tǒng)的控制朝著更加個(gè)性化、智能化的方向發(fā)展，要求空調(diào)系統(tǒng)具有快速響應(yīng)特性。而空調(diào)系統(tǒng)是末端通風(fēng)系統(tǒng)與冷源供給系統(tǒng)的耦合運(yùn)行系統(tǒng)。空氣傳播的熱惰性，機(jī)械設(shè)備的滯后性以及冷量傳輸?shù)难舆t性，與末端快速響應(yīng)需求之間形成了一個(gè)供冷可靠性，運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)能效性的耦合平衡問題[49-50]。如果無法有效平衡快速響應(yīng)與系統(tǒng)特性之間的關(guān)系，系統(tǒng)能耗可能不能有效得到降低。因此，在表征室內(nèi)環(huán)境控制需求的同時(shí)，如何將空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境控制的響應(yīng)能力考慮在內(nèi)，亦是進(jìn)一步發(fā)展室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)需要考慮的重要因素。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)室內(nèi)環(huán)境控制的評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)展進(jìn)行了綜述分析。從發(fā)展趨勢(shì)可以看出，室內(nèi)環(huán)境控制已從傳統(tǒng)的均勻空間概念逐步轉(zhuǎn)向空間局域化，提高受控空間的針對(duì)性?；跓崾孢m需求的室內(nèi)環(huán)境控制越來越關(guān)注室內(nèi)人員的主觀感受，而基于室內(nèi)空氣品質(zhì)需求的控制則更傾向于對(duì)污染源的分布預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)控制。由于室內(nèi)環(huán)境是熱質(zhì)耦合的物理場(chǎng)，并且存在時(shí)空非均勻分布問題，而空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)能耗影響較大，如何表征和評(píng)價(jià)熱質(zhì)場(chǎng)之間的關(guān)系、室內(nèi)環(huán)境與空調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)能力的關(guān)系，筆者認(rèn)為，將是室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步發(fā)展需要考慮的重要因素。