基于PMV值的變風量空調(diào)系統(tǒng)控制策略研究

李紅民，曲宗昊，張家瑞，王立新

(山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

目前，空調(diào)系統(tǒng)比較成熟的控制技術(shù)是采用PI、PID 調(diào)節(jié)器，對設定的溫/濕度進行恒溫、恒濕控制。通過對空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，來降低系統(tǒng)能耗。

空調(diào)系統(tǒng)的能耗受室外熱環(huán)境變化和室內(nèi)熱負荷變化影響，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)由于純滯后、大慣性、調(diào)控周期長等缺點，難以根據(jù)負荷的實時變化做出及時調(diào)控，使得大功率單元長時間處于運行狀態(tài)，造成電力損耗，其能源利用率也難以達到最優(yōu)；同時，空調(diào)系統(tǒng)的實際運行效果會影響室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)變化，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)對單一環(huán)境參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)，無法保證調(diào)控結(jié)果滿足人體的熱舒適度需求。因此，本文根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運行中負荷的變化隨氣象參數(shù)的不同而波動的特點，在現(xiàn)有控制策略的基礎上引入PMV值作為調(diào)控的變量依據(jù)，采用模糊自適應PID 算法進行相應的控制運算，通過變風量調(diào)節(jié)達到調(diào)節(jié)滿足最佳PMV值對應的環(huán)境狀態(tài)及降低能耗的目的。

1 基于PMV值的變風量控制流程

基于PMV 值的變風量控制是根據(jù)室內(nèi)的實時PMV 值變化，通過控制風機轉(zhuǎn)速和風閥開度來調(diào)節(jié)出風風速（出風量），從而改變室內(nèi)空氣和風機盤管的換熱量，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度、空氣流速等環(huán)境參數(shù)，使室內(nèi)的PMV值保持在人體熱舒適度的需求范圍內(nèi)?？照{(diào)系統(tǒng)調(diào)控風機的功耗要遠遠低于調(diào)控壓縮機等大功率工作單元的功耗，通過變風量控制調(diào)節(jié)室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)進而調(diào)節(jié)室內(nèi)PMV 值可降低系統(tǒng)的能耗，并且調(diào)節(jié)周期短，能及時的響應室內(nèi)負荷進行調(diào)節(jié)。

布置于室內(nèi)的各環(huán)境參數(shù)的傳感器會把采集到的實時數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機計算出實時的PMV值并與最優(yōu)設定值進行比較，將差值作為控制變量。然后采用模糊自適應PID 等控制算法對差值進行處理，根據(jù)處理結(jié)果對控制系統(tǒng)發(fā)出相應的控制指令，調(diào)整控制參數(shù)對空調(diào)系統(tǒng)的風機進行變頻調(diào)控，調(diào)節(jié)出風量，使空調(diào)房間的室內(nèi)環(huán)境經(jīng)過不斷地反饋調(diào)節(jié)達到滿足人體熱舒適度需求。

2 基于PMV值控制策略設計

2.1 PMV熱舒適度指標

PMV 熱舒適評價模型是Fanger 基于人體熱舒適方程提出的，用于評價某環(huán)境的熱舒適性偏離“熱中性”環(huán)境舒適性的程度，其偏離程度取決于某環(huán)境狀態(tài)需要調(diào)節(jié)的人體熱負荷大小。在計算人體的熱舒適度時，綜合考慮了六個因素的影響，包括：空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度、服裝熱阻和人體的新陳代謝率。PMV 熱舒適度評價模型及人體熱負荷計算模型如下：

其中，M 為人體代謝率，W/；W 為人體做功功率，W/；P為環(huán)境空氣中水蒸氣分壓力，P；t為人體周圍空氣溫度，℃；t為平均輻射溫度，℃；f為服裝面積系數(shù)；t為服裝外表面溫度，℃；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（.℃）。PMV 指標的值在-3～3 之間，將人體舒適度分為七個等級，如表1 所示，每個等級代表不同的熱感覺，當PMV 值處于-0.5～0.5 便能滿足人體的熱舒適度需求，PMV值越接近0，人體熱舒適度越好。

表1 PMV指標所對應的冷熱感覺表

2.2 環(huán)境參數(shù)對PMV熱舒適度的影響

本文對人體活動情況、著衣情況做近似處理，取人體能量代謝率M=69.7W/m，著衣熱阻I=0.094m*℃/W，服裝面積系數(shù)f=1.1，假定室內(nèi)溫度等于平均輻射溫度，研究空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速對PMV熱舒適度的影響。

圖1～圖3為室內(nèi)溫度、空氣流速、室內(nèi)濕度各環(huán)境參數(shù)對PMV 值的影響。如圖1、圖2，當其他各環(huán)境參數(shù)一定時，PMV 值的變化與室內(nèi)溫度的變化成正相關(guān)，與空氣流速的變化成負相關(guān)。室內(nèi)溫度、空氣流速的變化都會對PMV 值產(chǎn)生顯著的影響。而由圖3可知，PMV 值的變化與濕度的變化成正相關(guān)，但影響作用非常低。對比空氣流速與室內(nèi)溫度，相對濕度對PMV值的影響作用可忽略不計。

圖1 室內(nèi)溫度與PMV值的關(guān)系

圖2 空氣流速與PMV值的關(guān)系

圖3 相對濕度與PMV值的關(guān)系

2.3 基于PMV值的控制策略方案

由上述環(huán)境參數(shù)對PMV 熱舒適度的影響分析可知，基于PMV值的控制方式主要為室內(nèi)空氣溫度與流速兩個環(huán)境參數(shù)的結(jié)合。當PMV＞0.5，人體就會感覺偏熱，這種情況下，首先增加出風量，提高室內(nèi)空氣流速，調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適度值，在不降低冷媒溫度或增加流量的情況下（不增加制冷量），相應地減少了系統(tǒng)能耗。當室內(nèi)空氣流速達到當設定值時，此時增加中央空調(diào)的制冷量，通過降低室內(nèi)溫度來調(diào)節(jié)熱舒適度值。當PMV＜-0.5，人體就會感覺偏冷，這種情況下優(yōu)先提高冷媒的溫度或降低流量（降低制冷量），在減少系統(tǒng)能耗的同時提高室內(nèi)環(huán)境溫度，及時調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)來滿足人體的熱舒適度需求。當室內(nèi)環(huán)境溫度達到設定溫度上限而無法繼續(xù)調(diào)節(jié)熱舒適狀態(tài)時，此時通過減少出風量，降低室內(nèi)空氣流速來進一步調(diào)節(jié)熱舒適度值。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 模糊自適應PID控制

本文的模糊控制器采用兩輸入三輸出的結(jié)構(gòu)，輸入為環(huán)境變量的偏差e 和偏差率ec，輸出量為Kp、Ki、Kd。將溫度偏差e及溫度偏差變化率ec量化在[-3，3]之間，輸出△Kp 限定在[-0.3，0.3]，輸出△Ki 限定在[-0.3，0.3]，輸出△Kd限定在[-3，3]之間。

構(gòu)建仿真模型如圖4 所示，設定房間溫度為26℃，冷凍水進口流量為8.3m/s，冷凍水進口溫度為7℃，室外空氣溫度為35℃，仿真時間為1600s，采樣間隔為0.1s，比例系數(shù)=5，積分系數(shù)=0.8，微分系數(shù)=0.005，風機的轉(zhuǎn)速為0-1250rpm，并在800s 時設置了3℃的溫度干擾。

圖4 基于溫度的模糊自適應PID控制模型

實驗結(jié)果如圖5 所示，對比傳統(tǒng)PID 控制的結(jié)果可以明顯的看出，模糊自適應PID控制的超調(diào)量更小，控制過程更穩(wěn)定，對于大干擾的恢復時間更短，抗干擾能力更強。模糊自適應PID控制算法在實際的控制過程中，可以使系統(tǒng)更快、更穩(wěn)定的達到預定控制狀態(tài)，減小工作單元的實際運行時間，并降低了能耗。

圖5 基于溫度模糊自適應PID控制運行效果

3.2 基于PMV的變風量控制

如圖6 所示為基于PMV 值的PID 與模糊自適應PID 控制模型，空氣流速的控制范圍取0.1m/s～0.8m/s，室內(nèi)溫度的取值為22℃～28℃，室外溫度取值為32℃～36℃，濕度取值范圍30%～90%。

圖6 基于PMV值的變風量控制模型

如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)所示為溫度、風速、PMV值的仿真結(jié)果圖，按照當前實驗參數(shù)，基于PMV 值的變風量調(diào)控策略最終可以將室內(nèi)PMV 值穩(wěn)定在-0.1左右，而室內(nèi)環(huán)境溫度最終穩(wěn)定在了26.8℃左右，空氣流速最終穩(wěn)定在了0.24m/s左右。

圖7 基于PMV值的變風量控制運行效果

3.3 實際環(huán)境參數(shù)測量及能耗結(jié)果分析

通過數(shù)學模型的實驗結(jié)果分析可知基于PMV 值的變風量控制系統(tǒng)對于環(huán)境參數(shù)的控制、人體舒適度的調(diào)節(jié)具有顯著效果。為了進一步驗證該控制策略的控制效果及節(jié)能優(yōu)勢，通過實際環(huán)境參數(shù)的測量以及空調(diào)系統(tǒng)能耗的采集來進行討論與分析。取濟南某小區(qū)內(nèi)三層別墅內(nèi)客廳為實驗環(huán)境，由于實驗條件限制，無法對中央空調(diào)系統(tǒng)的出風量進行精確的調(diào)控，通過將室內(nèi)中央空調(diào)設置為26℃、二檔送風風速（常規(guī)調(diào)控策略）；27℃、三檔送風風速（基于PMV值的變風量調(diào)控策略）的兩種控制方式進行空調(diào)變風量控制的模擬，觀察實際的運行效果。

在絕大多數(shù)的空調(diào)房間中，當室內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)時，室內(nèi)空氣流動會呈現(xiàn)湍流的流動狀態(tài)，固定點的空氣流速會在某一值域內(nèi)上下波動。圖8所示為當室內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)時，兩種不同控制模式下的實測風速對比。從圖8(a)、(b)中可以看出，三檔送風的測量點平均風速為0.28m/s,二檔送風為0.18m/s,在排除外界因素的干擾下，測量點的風速會在對應的平均值上下波動。

圖8 測量點實時空氣流速

圖9 為處于兩種控制模式下，室內(nèi)環(huán)境的實測PMV 值。由圖可知，當處于實際現(xiàn)場，進行基于PMV值的變風量調(diào)控時，提高室內(nèi)環(huán)境溫度，相應的提高室內(nèi)空氣流速，將室內(nèi)環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的負荷變化通過室內(nèi)空氣流速的調(diào)節(jié)進行補償，依然可以使室內(nèi)環(huán)境處于人體熱舒適度的需求范圍內(nèi)。

圖9 測量點實測PMV值

圖10 為兩種控制模式下，別墅的日用電量對比。由圖10 可知，在啟用中央空調(diào)的時段里，基于PMV 值的變風量調(diào)控模式的能耗比常規(guī)調(diào)控模式的能耗有明顯的的減少，能耗的平均節(jié)約量在30%～40%。

圖10 別墅日用電量

4 結(jié)束語

常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設定一般為固定值，是對溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的單一調(diào)控，控制方法著力于室內(nèi)的空氣而不是人體的熱舒適度，難以保證其調(diào)控結(jié)果滿足人體的熱舒適度需求。而基于PMV 值的變風量調(diào)控策略，可同時調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、空氣流速、室內(nèi)相對濕度等多個環(huán)境參數(shù)，將PMV 值穩(wěn)定在-0.5～0.5的理想舒適度范圍內(nèi)，使室內(nèi)環(huán)境滿足人體的熱舒適度需求。同時，基于PMV值的變風量控制策略用空氣流速對PMV 值的調(diào)節(jié)作用代替溫度對PMV 值的調(diào)節(jié)作用，將溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L速調(diào)節(jié)，進而將壓縮機、循環(huán)水泵調(diào)節(jié)溫度的功耗用風機調(diào)節(jié)風速的功耗來代替，在滿足人體的熱舒適度需求的同時可有效的降低能耗。