基于工作效率最大化的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法研究*

郁文紅 江超文 董娜娜 王福林

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院,100144，北京；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，100084，北京)

人們對(duì)于人體舒適性的研究始于1940年代. 很多研究者已經(jīng)研究了如何將現(xiàn)有的熱舒適指標(biāo)(例如PMV)應(yīng)用到室內(nèi)熱環(huán)境控制中，綜合考慮各項(xiàng)環(huán)境因素，期望實(shí)現(xiàn)舒適的室內(nèi)環(huán)境. 比較常見的室內(nèi)熱環(huán)境控制方法有通過樓宇自控系統(tǒng)或用戶設(shè)定溫度值來(lái)進(jìn)行控制. 然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)定的溫度值并不能使室內(nèi)人員工作效率的最大化，甚至超過50%的溫度設(shè)定值不符合23.5～27 ℃的夏季溫度舒適域范圍.[1]由于直接設(shè)定溫度進(jìn)行控制存在諸多弊端，研究者們又針對(duì)這個(gè)問題展開了研究. Marc Fountain等使用模糊控制法，只設(shè)有“加熱房間”和“冷卻房間”兩個(gè)選項(xiàng).[2]何偉雄公開了一種人體舒適性感應(yīng)控制器專利，設(shè)有人體移動(dòng)探測(cè)器用于獲取人體冷熱感知信息，設(shè)有微處理器對(duì)人體移動(dòng)探測(cè)器輸出的感知信息進(jìn)行計(jì)算、判斷，然后自動(dòng)控制空調(diào)器的運(yùn)行.[3]王福林等將室內(nèi)熱環(huán)境自動(dòng)控制方法的發(fā)展歷程概括為4個(gè)階段：溫度設(shè)定值控制法、PMV參數(shù)控制法、熱感覺表達(dá)控制法、熱感覺預(yù)測(cè)控制法.[4]Henderson等將設(shè)定溫度的控制策略改成了設(shè)定PMV的控制策略，通過模擬發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下達(dá)到了提高室內(nèi)舒適度和降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的目的.[5]張良杰等使用以PMV=0為熱環(huán)境控制的目標(biāo)，用空調(diào)智能控制器進(jìn)行熱環(huán)境控制的方法.[6]伍逸文等提出了在不同熱環(huán)境和光環(huán)境下，結(jié)合實(shí)時(shí)反饋信息和群體決策，改善室內(nèi)環(huán)境滿意度和節(jié)能的環(huán)境控制策略，可以改善人的生活環(huán)境.[7]

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外的研究者們已經(jīng)意識(shí)到，傳統(tǒng)設(shè)定溫濕度控制的方法存在缺陷，正在努力嘗試采用其他方法替代，因此筆者提出了基于工作效率最大化的控制系統(tǒng)，同時(shí)兼顧舒適度的要求，致力于提供一個(gè)更加高效、舒適的工作及學(xué)習(xí)環(huán)境.

1 基于工作效率最大化的控制系統(tǒng)

在該控制系統(tǒng)運(yùn)行前，首先通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式，得到不同室內(nèi)熱舒適指標(biāo)(PMV)條件下受試人員的工作效率. 受試人員處于不同PMV的環(huán)境中，完成工作效率或休息效率的實(shí)測(cè). 該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將作為本控制系統(tǒng)中重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，因?yàn)槭覂?nèi)熱環(huán)境信息采集相對(duì)容易，室內(nèi)熱舒適與工作效率的相關(guān)信息需要通過實(shí)驗(yàn)取得.

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇了比較符合辦公室人員工作難度的時(shí)鐘測(cè)試,用于模擬人員在工作狀態(tài)下的工作效率測(cè)試. 筆者使用PEBL軟件中的時(shí)鐘測(cè)試用于模擬工作狀態(tài)，如圖1所示. 時(shí)鐘測(cè)試是一種用于實(shí)驗(yàn)心理學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置，該設(shè)備在圓形背景中有一個(gè)黑色指針. 指針像秒針那樣以單跳(一次一格)的方式移動(dòng)，大約每秒鐘一次，偶爾會(huì)進(jìn)行雙跳(一次兩格). 被試者的任務(wù)是在雙跳出現(xiàn)時(shí)按下相應(yīng)的按鈕，PEBL軟件會(huì)記錄被試者的錯(cuò)誤數(shù)與反應(yīng)時(shí)間，用于刻畫被測(cè)試者的工作效率.

在休息階段，受試者需要進(jìn)行閉目養(yǎng)神或進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的娛樂活動(dòng). 被試者在休息時(shí)會(huì)通過填寫調(diào)查問卷的方式來(lái)匯報(bào)自己的休息效果，用以刻畫休息效率. 前期信息收集模塊收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并傳給智能控制模塊進(jìn)行分析，得到每個(gè)被試者工作效率、休息效率為最高效率90%以上時(shí)對(duì)應(yīng)的PMV參數(shù)，稱作高效工作域與高效休息域，作為該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的目標(biāo)參數(shù).

記時(shí)鐘測(cè)試中出錯(cuò)數(shù)為z、反應(yīng)時(shí)間為t,則正確率x=(500-z)/500(注：500為鐘表測(cè)試中鐘表跳動(dòng)的總次數(shù))，用y=500/t來(lái)表示被試者工作的速度，則xy可以反映工作效率的高低.

故工作效率可用以下公式計(jì)算表示：

xy=(500-z)/t

(1)

基于工作效率最大化的控制系統(tǒng)組成如圖2所示，該系統(tǒng)共分為3個(gè)部分：信息收集模塊、智能控制模塊、末端執(zhí)行模塊.

信息收集模塊負(fù)責(zé)收集多種信息并傳遞給智能控制模塊，信息收集模塊分前期信息收集和實(shí)時(shí)信息收集2部分.

前期信息收集模塊收集錄入該系統(tǒng)運(yùn)行前的人員實(shí)驗(yàn)測(cè)試信息，包括實(shí)驗(yàn)時(shí)的PMV參數(shù)信息、時(shí)鐘測(cè)試的反應(yīng)時(shí)間、時(shí)鐘測(cè)試的錯(cuò)誤數(shù)、被試者所填問卷答案、以及活動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù). 因此前期信息收集模塊需要搭載多種傳感器，其中獲取PMV參數(shù)信息需要搭載空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、輻射溫度傳感器、風(fēng)速傳感器，還需要圖像識(shí)別系統(tǒng)用于識(shí)別被試者的著裝以獲取服裝熱阻信息，不僅需要人體動(dòng)作識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被試者的活動(dòng)強(qiáng)度以獲取代謝率信息，還需要采用人臉識(shí)別系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)人員的個(gè)人資料中.

實(shí)時(shí)信息收集模塊同樣搭載空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、輻射溫度傳感器、風(fēng)速傳感器用于確定當(dāng)前室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，搭載的人臉識(shí)別系統(tǒng)、人體動(dòng)作識(shí)別系統(tǒng)與圖像識(shí)別系統(tǒng)，用以確定該房間內(nèi)具體的人員、人員的服裝熱阻和活動(dòng)強(qiáng)度. 實(shí)時(shí)信息收集模塊和工位末端執(zhí)行模塊在每一個(gè)工位均需要設(shè)置，且需要實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”，并要求系統(tǒng)運(yùn)行后的實(shí)際使用人員要和與前面的實(shí)驗(yàn)受測(cè)人員保持一致.

智能控制模塊用于接收信息收集模塊傳輸?shù)男畔?，進(jìn)行信息的分析與處理后智能化選擇合適的控制策略并向末端執(zhí)行模塊發(fā)送指令. 智能控制模塊采用具有自學(xué)習(xí)功能的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過輸入學(xué)習(xí)樣本(包括人員實(shí)驗(yàn)測(cè)試信息、根據(jù)PMV控制策略選擇目標(biāo)PMV所對(duì)應(yīng)的空氣參數(shù)和所對(duì)應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù))進(jìn)行訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于第二代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前該算法發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟了. 由于室內(nèi)環(huán)境熱舒適性與工作效率屬于人員主觀感受的范疇，每個(gè)人的PMV感受不同，每個(gè)人在不同PMV下的工作效率也存在差異性，要實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的精密化控制很難通過傳統(tǒng)的公式定量計(jì)算實(shí)現(xiàn)，因此采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能控制方法是合理的.

智能控制模塊在運(yùn)行之中需要同時(shí)完成2項(xiàng)任務(wù). 任務(wù)1：獲取前期信息收集模塊所得的實(shí)驗(yàn)信息自動(dòng)計(jì)算每個(gè)被試者的高效工作域與高效休息域并存儲(chǔ)在每個(gè)被試者的資料中. 任務(wù)2：獲取實(shí)時(shí)信息收集模塊所得的室內(nèi)人員信息，通過取交集的方式得到每個(gè)房間的高效工作域與休息域. 獲取實(shí)時(shí)信息收集模塊所得的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和人員信息，通過計(jì)算得到PMV參數(shù)，當(dāng)PMV參數(shù)不在高效工作域或高效休息域的范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)自動(dòng)選取合適的策略進(jìn)行調(diào)整.

末端執(zhí)行模塊包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管、輻射吊頂、空氣加濕器與空氣干燥器，用以接收智能控制模塊的指令，控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、空調(diào)冷凍水調(diào)節(jié)閥的開度、輻射吊頂調(diào)節(jié)閥的開度、空氣加濕器與空氣干燥器的啟停，以達(dá)到把室內(nèi)環(huán)境參數(shù)控制在目標(biāo)房間高效工作域或高效休息域的范圍內(nèi).

以濕度調(diào)節(jié)為例，空氣加濕器與空氣干燥器的開閉對(duì)室內(nèi)空氣濕度的調(diào)節(jié)方法如圖3所示.

2 控制系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)估分析

通過對(duì)文獻(xiàn)的分析以及室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)辦公室人員工作效率影響的實(shí)驗(yàn)部分(見表1)驗(yàn)證可知，對(duì)于東方人而言，當(dāng)環(huán)境參數(shù)PMV=0時(shí)，人體并沒有處于最佳熱舒適狀態(tài)，工作效率也沒有達(dá)到最高. 因此PMV=0這個(gè)看似合理的控制目標(biāo)，但其實(shí)并不能帶給我們最高效且舒適的工作和生活環(huán)境.

表1 熱感覺和效率最高時(shí)的PMV參數(shù)

本文提出的基于工作效率最大化的控制系統(tǒng)，以工作效率最大化為首要目標(biāo)，兼顧舒適度的要求. 現(xiàn)使用已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(采用實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)后的過渡季實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證估算結(jié)果的準(zhǔn)確性)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行估算，來(lái)得出該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的以PMV=0為控制目標(biāo)的系統(tǒng)，對(duì)工作效率、休息效率以及舒適度的提升效果.

2.1 工作效率提升估算

記時(shí)鐘測(cè)試中出錯(cuò)數(shù)為z、反應(yīng)時(shí)間為t,則正確率x=(500-z)/500(注：500為鐘表測(cè)試中鐘表跳動(dòng)的總次數(shù))，用y=500/t來(lái)表示被試者工作的速度，則xy可以反映工作效率的高低，在室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)辦公室人員工作效率影響的實(shí)驗(yàn)研究中通過數(shù)據(jù)分析得到了描述PMV與xy之間關(guān)系的二次回歸曲線公式,如式(2)所示.

xy=-0.103 3PMV2-0.166 7PMV+1.223 8

(2)

已知過渡季中PMV=-0.81時(shí)工作效率最高，該條件下xy=1.29，以PMV=-0.81時(shí)的工作效率為100%計(jì)算，工作效率可用公式(3)計(jì)算：

(3)

不同PMV參數(shù)下的工作效率如圖4所示.

由圖4可知，相對(duì)于普通PMV參數(shù)控制法所采用的熱中性(PMV=0)控制，室內(nèi)人員的工作效率提高了5.4%.

2.2 休息效率提升估算

根據(jù)過渡季實(shí)驗(yàn)中被試者進(jìn)行自我評(píng)價(jià)得到的問卷數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)部分中通過分析得到了描述休息效果r與PMV之間關(guān)系的二次回歸曲線公式(4)：

r=-0.232 4PMV2-0.355 9PMV+4.297 7

(4)

已知過渡季中PMV=-0.77時(shí)休息效率最高，該條件下r=4.434，以PMV=-0.77時(shí)的工作效率為100%計(jì)算，休息效率可用公式(5)計(jì)算：

(5)

不同PMV參數(shù)下的休息效率如圖5所示. 由圖5可知，相對(duì)于普通PMV參數(shù)控制法所采用的熱中性(PMV=0)控制，室內(nèi)人員的休息效率提高了3.17%.

2.3 工作階段舒適度提升估算

根據(jù)過渡季實(shí)驗(yàn)中被試者進(jìn)行自我評(píng)價(jià)得到的問卷數(shù)據(jù)，將問卷中所得熱舒適評(píng)價(jià)m(1非常舒適、2舒適、3有點(diǎn)不舒適、4不舒適、5非常不舒適、6無(wú)法忍受)轉(zhuǎn)化為百分制指標(biāo)s，其轉(zhuǎn)化公式(6)為：

s=[(6-m)/6]×100

(6)

使用百分制的被試者舒適度指標(biāo)描述被試者在工作階段不同PMV工況下的平均熱舒適，如圖6所示.

由圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，經(jīng)二次回歸分析，得到工作階段被試者舒適度指標(biāo)s(百分制)與PMV工況之間的關(guān)系為公式(7)：

s=-4.797 1PMV2-8.279 7PMV+60.265

(7)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)部分可知，基于工作效率最大化的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)會(huì)在PMV=-0.81的工況下運(yùn)行，此時(shí)被試者舒適度指標(biāo)s=63.84，而普通PMV參數(shù)控制法在PMV=0的工況下運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的被試者舒適度指標(biāo)s=60.27.

由此可得在工作階段下，本文的控制方法相對(duì)于普通PMV參數(shù)控制法所采用的熱中性(PMV=0)控制，室內(nèi)人員的舒適度約提高了5.92%.

2.4 休息階段舒適度提升估算

根據(jù)過渡季實(shí)驗(yàn)中被試者進(jìn)行自我評(píng)價(jià)得到的問卷數(shù)據(jù)，使用百分制描述被試者在休息階段不同PMV工況下的平均熱舒適，如圖7所示.

由圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，經(jīng)二次回歸分析，得到休息階段被試者舒適度指標(biāo)s(百分制)與PMV工況之間的關(guān)系式(8)為：

s=-5.405 7PMV2-8.584 6PMV+60.672

(8)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)部分可知，基于工作效率最大化的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)會(huì)在PMV=-0.77的工況下運(yùn)行，此時(shí)被試者舒適度指標(biāo)s=64.08，而普通PMV參數(shù)控制法在PMV=0的工況下運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的被試者舒適度指標(biāo)s=60.672.

由此可得在休息階段下，本文的控制方法相對(duì)于普通PMV參數(shù)控制法所采用的熱中性(PMV=0)控制，室內(nèi)人員的舒適度約提高了5.62%.

3 本文小結(jié)

本文提出了基于工作效率最大化的控制方法，并對(duì)其運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了估算和評(píng)價(jià). 該系統(tǒng)以室內(nèi)人員工作效率、休息效率最大化為目標(biāo)，以PMV值為控制參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境控制，兼顧舒適度的要求. 該控制系統(tǒng)主要由信息收集模塊、智能控制模塊與末端執(zhí)行模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境的智能化調(diào)控，為人們提供一個(gè)更加高效、舒適的工作及學(xué)習(xí)環(huán)境.

通過對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行效果的估算發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于PMV指標(biāo)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)下室內(nèi)人員的工作效率約提高5.4%，休息效率約提高3.17%，工作階段舒適度約提高5.92%，休息階段舒適度約提高5.62%. 該系統(tǒng)不僅提高了室內(nèi)人員的工作效率、休息效率，還為室內(nèi)人員提供了更舒適的環(huán)境.