基于舒适行为的空调控制系统

1、引言
　　
自从上世纪70年代Fanger以人体热舒适方程和ASHRAE七点标度为出发点提出热舒适评价指标――PMV指标之后，世界各国对热舒适的研究进入了一个全新时期，特别是在此标准基础上进行的控制研究为人们提供了更舒适的室内环境。然而随着生活水平的提高，人们对室内环境有了更高的要求，同时伴随着节能的大范围推广，要求我们不仅要满足人们的舒适性还要注意节能。
　　
影响人体的室内热湿环境由多个要素构成，对环境侧而言，除了空气的温度、湿度和流速外，还有环境对人体的平均辐射温度;对人体侧而言，有人体的代谢产热量和衣着热阻[3]。人在环境中的冷热感觉是这六大因素对人体共同作用的结果[4]。就四个环境变量而言，对人体舒适感的影响程度是不同的，而且对系统能耗的影响程度也各不相同。因此完全可以在等舒适的前提下，调节各个参数的组合使系统的能耗最小[4]。例如在夏季，当其他因素不变，调节温度与风速的组合。由于气流是一种最廉价的空调方式，如果在提高风速的同时提高室内空气温度，这不仅有利于节能并且能大大改善室内的空气品质。这是因为提高室内空气温度，室内外的空气温差就会变小，通过建筑围护结构的传热量就小，空调系统的负荷相应的也要减少。在一般情况下，室内外气温差每减少1℃，通过围护结构的传热量将下降3％－10%;在冬季，提高室内的壁面平均辐射温度应的降低室内空气温度值，通过维护结构向外界所散失的热量也就要减少。文献[1]表明，采用低温地板辐射采暖系统比对流辐射采暖系统更能满足人体的热舒适要求，而且节能率较高。因此舒适控制比传统温度控制具有更大的灵活性，可以实现舒适与节能的和谐统一。
　　
2、传统的热舒适控制方法
　
2.1 热舒适指标的间接控制方式
　　
传统的热舒适控制主要包括热舒适指标的间接控制方式和直接控制方式，文献[7]表明，所谓热舒适指标的间接控制方式，就是根据PMV指标实时地确定各环境变量的设定值。在这种控制方式中热舒适指标并不是直接的被控参数，而是选择某一个环境变量作为直接受到控制的参数。在这里，PMV指标仅仅只是一个评判的标准，通过实时计算出PMV值或采用PMV智能舒适传感器测量得出PMV值，判断是否在舒适的范围内，如不是，则调节相应的执行机构使PMV值处于舒适的范围之内。
　　
风速与温度的组合是实现热舒适指标控制的最佳选择，不同的组合会有不同的控制方式。在热舒适指标的间接控制方式中常见的有两种情况：(1)根据室内风速、平均辐射温度以及空气湿度确定空气温度的设定值；(2)根据室内空气温度、平均辐射温度以及空气湿度确定风速的设定值。这两种间接控制方式的控制原理如图1所示。
　　
图1是以空气温度为直接被控参数的控制原理。

图1 以温度为直接被控参数的间接热舒适指标控制方式
　　
与仅有温度控制的控制系统相比有以下不同：(l)温度的设定值，由PMV控制器实时确定。从表面上看系统仍然是简单的温度设定控制，但温度值的设定却是考虑了其他影响因素对人体热舒适的作用。(2)增加的PMV控制器部分必须能够对其他环境参数进行测量，同时还要允许根据实际对人体新陈代谢率与服装热阻进行设定。
　　
为实现系统的节能，温度的设定值可以提高到28℃，同时可以采取增加风速以及紊流度的办法来补偿因温度升高而引起的PMV值的增加。由于气流本身是一种廉价的空调方式，提高室内空气温度的设定值可以大幅度的降低空调系统的能耗。其中风速传感器是不必要的，因为可以认为风机的转速与风速之间存在对应的关系。但是必须要注意的是风速的增大不能无限制，一般认为可以控制在1m/s以下；而且风速增加所引起的噪声问题也必须得到重视。
　　
其中以空气温度作为直接被控参数的间接PMV控制在平均辐射温度与空气温度差别较大、风速的调节受到限制的场合，如列车，长途汽车等的空调系统中有很好的适用性。而以风速为直接被控参数的控制系统则在易于对风速进行调节的场合得到应用。这两种方法都不仅能够提高环境的热舒适性，而且可以实现相当大比重的节能。与此同时使用热舒适指标控制的间接方式可以很好地与原有空调系统常见的温度控制系统结合起来。只需要在原有控制系统的基础上增加一个PMV的控制器，就可以很容易地实现空调系统的热舒适指标控制。
　　
2.2 热舒适指标的直接控制方式
　　
热舒适指标控制的直接法就是用热舒适指标直接作为被控参数，来对空调系统进行控制。在实现形式上也是通过对温度与风速的控制来实现的。在热舒适指标的直接控制方式中，PMV指标并不只是系统的一个评价标准，而是整个系统的输入，通过PMV指标与温度和风速的内在联系，当PMV指标变化时，调节温度与风速的相应执行机构，使PMV值在舒适的范围之内。相应的在热舒适指标的直接控制方式中，[7]也有两种情况：（1）根据室内PMV值确定空气温度的设定值;(2)根据室内PMV值确定温度与风速的设定值。其控制原理如图2所示。