熱舒適空調的能量設計因子研究

王 雁 劉光復 張 雷 周 丹

(合肥工業大學機械與汽車工程學院 合肥 230009)

為滿足室內環境的熱舒適性需求，人們付出了大量的能源消耗作為其代價。自二十世紀六十年代以來，由于節能的需要，研究人員對熱舒適進行了更加深入而廣泛的研究，并將其研究成果應用于降低建筑物及其設備能耗[1]。

熱舒適在ASHRAE Standard 55中定義為“that condition of mind in which satisfaction is expressed with the thermal environment”[2]，即人體對熱環境感覺滿意的意識狀態。熱舒適應用于空調節能的研究主要是從環境參數配置及其控制方面尋求熱舒適與節能之間的平衡。李兆堅[3]分析了室內環境參數、空調行為對空調能耗的影響，說明了在保證人體熱舒適范圍內，實現空調節能的可行性。Nicol[4]從節能的角度提出人體熱舒適溫度應當是一個動態的過程，應隨著室外平均溫度的變化而改變。戴朝華等[5]對熱舒適(CI)控制進行了計算機仿真研究，與傳統設定溫(濕)度控制比較, CI控制更容易、更可控地滿足熱舒適要求, 而且在舒適度相近的條件下節能效果顯著。Francesco Calvino[6]對普通開關式控制和PID模糊控制進行了量化和對比分析，認為無論舒適性還是節能性，PID模糊控制的效果更優。Mossolly等[7]利用遺傳算法對一個教學樓的變風量空調系統進行優化控制，仿真結果表明，與傳統控制策略相比運用優化控制技術可在夏季四個月內節省電能30.4%。Zhou[8-9]針對一類辦公室置換通風系統提出一種基于神經網絡和遺傳算法的優化策略，以同時滿足熱舒適度、IAQ和節能三個優化目標。

室內氣流組織仿真與優化是熱舒適應用于空調節能的另一研究熱點。Gan[10]用CFD預測機械通風房間的室內環境和空氣分布系統總的通風效率。研究認為通風效率與室內達到熱舒適的能耗有關，向上置換通風的氣流組織能夠得到較好的能源利用，但是可能會引起局部熱不舒適。端木琳[11]研究了桌面工位空調系統的送風特性以及對人體熱舒適的影響，分析了工位空調所造成的室內熱環境場的分布規律，通過對大連一幢小型辦公建筑的分析，表明工位空調比常規空調的運行能耗大約節省20%。

上述舒適與節能研究主要基于環境參數設置、優化與控制，而針對熱舒適與產品設計過程的關鍵能量設計要素之間的關聯性研究較少。為此，本文從產品設計角度出發，建立熱舒適驅動的空調節能設計過程模型，給出能量設計因子提取及熱舒適和能耗影響程度量化方法。

1 熱舒適驅動的節能設計過程框架

滿足人體熱舒適需求，創造令人滿意的室內環境是空調設計的根本出發點和核心要求。熱舒適驅動的空調節能設計過程有兩種基本途徑：一是間接節能，即在不增加能耗的條件下提高熱舒適滿意度水平；二是直接節能，即在不降低熱舒適滿意度水平的條件下降低產品能耗。實現這兩種節能途徑的基本設計過程如圖1所示。

圖1 熱舒適驅動的空調節能設計過程

設計過程從熱舒適需求出發，利用質量功能配置方法將其轉化為從設計角度出發的產品功能需求和產品設計參數。質量功能配置(Quality Function Development)方法[12-13]在綜合QFD模型、ASI-QFD模型、GOAL/QPC模型的基礎上逐漸形成了多種改進模型，各種模型的展開結構基礎都是質量屋(House of Quality, HoQ)。

在建立基于熱舒適需求的功能HoQ基礎上，對功能進行能量特性分析。對于與熱舒適需求相關但與能耗無關的功能，可以直接進行功能與結構之間的“Z”形映射，通過產品結構優化設計，實現在能耗不變的條件下提高熱舒適滿意度水平的設計目標。

對與能量消耗相關的功能，通過識別與能量性能指標相關的能量因素，提取能量設計因子，針對其中耦合因子，通過耦合分解，將其轉換為具體的產品能量設計參數/措施[14]，并進行熱舒適影響程度量化，找出影響熱舒適和能耗的關鍵要素，調控設計過程，實現直接節能設計目標。

2 基于熱舒適的功能HoQ

基于熱舒適的功能HoQ是將人體熱舒適需求轉化為產品功能指標及其權重的工具。功能HoQ組成如圖2所示，基本過程為：確立熱舒適需求及其初始重要度→調查競爭對手和待改進產品的熱舒適需求滿意度→制定改進后產品希望達到顧客滿意度的目標值→計算熱舒適需求最終重要度→建立功能與熱舒適需求關聯矩陣→根據需求重要度及關聯矩陣確定功能重要度。各步驟計算方法見文獻[13]。

結合熱舒適影響因素及評價指標可以初步確定熱舒適需求內容。人體熱舒適受物理、生理和心理等因素的綜合影響，其中有六個主要影響因素：空氣溫度、空氣速度、相對濕度和平均輻射溫度、人體活動量和服裝熱阻。大多數熱舒適評價指標均是基于這六項因素的不同組合而提出的，如有效溫度ET、標準有效溫度SET、PMV-PPD指標等。另外，國際熱舒適標準ISO7730—1994規定了冷吹風感(draft)引起的局部熱不舒適情況，ISO7730—2005增加了豎直空氣溫度差、冷暖地板、輻射溫度不對稱性等局部熱不舒適、非穩態熱環境等內容[15]。通過訪談、調查表以及網絡收集等調查方法，進一步收集需求信息。最后對相似的需求進行整理、精簡，可以把它們變換為HoQ技術所需要的顧客需求形式。人體熱舒適需求結構如圖3所示。

圖2 基于熱舒適的功能HoQ

圖3 人體熱舒適需求結構

在確定熱舒適需求的基礎上，可以構建產品滿足熱舒適需求應具備的目標功能系統。該系統應滿足：每一項需求都有至少一項功能與其對應，且對應關系至少有一項為“強相關”，否則目標功能系統不足；每一項功能都至少有一項需求與其對應，且對應關系至少有一項為“強相關”，否則目標功能系統過剩。

(1)

(2)

根據λj值從大到小對功能重要度進行排序。如表1所示。

圖4 基于熱舒適的功能系統

3 能量設計因子提取及量化

產品功能的能耗相關性可以結合功能與結構之間的映射，判斷產品在使用過程中與功能相關的結構是否耗能來確定。針對與能耗相關的功能，通過提取能量設計因子(Energy Design Factor, EDF)來調控相應設計過程。EDF的提取與量化能夠明確產品總體設計和關鍵零部件設計或選擇的重點。

3.1 EDF提取過程

能量設計因子是設計過程中反映產品能量性能的設計控制機制與控制要素，通過設計參數、指標、變量等進行表達[14]。EDF與設計過程相一致，一般包括整機、部件和零件三個級別。

表1 熱舒適需求—功能相關關系

EDF是直接節能優化設計的關鍵，提取過程如圖1所示，首先分析功能的能量性能指標，識別對能量性能指標有影響的能量因素。能量因素是指對能量傳遞、轉換、消耗或儲存等產品能量性能產生影響的各種要素，能量因素可能非常多，而且有部分能量因素與產品的設計過程無關，取決于實際的使用環境、運行條件及操作方法。通過專家判斷、模糊分析和聚類分析等方法可以篩選出對能量性能具有重大影響的、且與設計過程相關的強可控能量因素。然后對強可控能量設計因素集進行定量與定性分析，結合設計過程信息模型，分析其間的相互關聯性，提取出EDF集。最后針對耦合因子，結合相關專業知識、仿真、實驗等工具以及相應的耦合分解機制，協調解決矛盾，將耦合EDF轉換為具體的產品能量設計參數與取值建議(或控制措施與控制目標)。

3.2 EDF影響程度量化

EDF具有層次性，每層設計過程一般包含多項EDF，如何在這眾多的EDF中抓住重點，找尋最有價值的優化設計方向，是產品直接能量優化設計的關鍵。同時，EDF對設計過程的調控不能降低產品熱舒適水平，因此，需要對設計過程內部的若干EDF對能耗及熱舒適綜合影響程度進行量化。相關信息可以根據產品性能曲線、經驗數據等信息，通過專家判斷和模糊數學方法來確定。本文采用基于三角模糊數的兩兩比較方法對能耗及熱舒適影響程度進行度量[16]。方法如下：

1) 給出三角模糊數與影響程度語言變量的對應關系[16]，如表2。

表2 語言變量及對應的三角模糊數

2) 分別以能耗影響程度、各項功能影響程度為準則，構造同一層次EDF之間相對重要性的三角模糊數互補判斷矩陣R，R=(rij)n×n，其中rij=(lij，mij，uij)，lij，mij，uij分別表示元素Ci和Cj相對某一評判準則進行比較時，專家給出的最保守估計、最可能估計和最樂觀估計，其數值應滿足：①lij≤mij≤uij，lij+uji=mij+mji=uij+lji=1，?i，j=1，2，…，n，且i≠j；②rii=0=(0,0,0)。

3) 對得到的三角模糊數互補判斷矩陣進行清晰化處理。設s個專家給出的三角模糊數互補判斷矩陣集為：

則評價結果的平均三角模糊數為：

(3)

由公式(4)計算模糊相對權重：

(4)

由公式(5)計算清晰化處理結果：

(5)

(4)設由上述方法得到EDFi的第j項功能影響系數為ωfj，則熱舒適影響系數為：

(6)

式中：λj表示功能權重，由表1可知。

(5)若能耗影響系數為ωei，則綜合影響系數為：

(7)

4 家用空調EDF分析

在基于熱舒適的功能系統中，出風、導風和調節風向這三項功能與能耗無關，可以通過優化相應結構的設計參數、出風角度、出風口位置和數量等，達到既定的熱舒適需求滿意度值。對其余功能需要進行能量設計因子提取與量化分析。下面以家用空調為例，說明具體過程。

4.1 EDF提取

家用空調的設計參數通常包括工況參數、運行參數、性能參數、結構參數和材料參數，其中工況參數、運行參數通常是由使用環境和運行狀況決定的，屬于非設計可控參數，材料參數受材料性質、環境及技術等因素約束，設計可控性也較低，只有部分性能參數和結構參數具有可控性，且對空調能耗影響較大。家用空調功能、能量性能指標及能量因素可控性分析如表3所示。

壓縮制冷劑功能對應的能量性能指標為壓縮機功率，計算公式見文獻[17]，影響因素包括吸/排氣壓力/溫度、壓縮機容積效率、電效率、制冷劑流量、電機轉速、制冷劑及潤滑油類型等。其中，吸/排氣壓力、吸/排氣溫度主要受制冷劑類型、蒸發/冷凝溫度影響，家用空調制冷劑、潤滑油受材料性質及壓縮機材料影響，設計可控性較低。壓縮機容積效率、電效率為壓縮機性能參數，制冷劑流量和電機轉速與空調運行控制方式相關，都屬于強設計可控能量因素。

空調吸熱和散熱功能對應的能量性能指標分別為吸熱量和散熱量，可以根據熱交換量計算公式得到[17]，影響因素包括冷凝熱負荷、傳熱系數、傳熱面積和換熱溫差，其中，換熱溫差受室內、外環境溫度、蒸發/冷凝溫度影響，冷凝熱負荷由運行工況決定，設計可控性均較低。傳熱系數/面積受換熱器的結構參數、布局方式和迎面風速等參數影響，設計可控性較高。

換氣功能對應的主要結構為風機，能量性能指標為送風量，計算公式見文獻[18]，影響因素包括風機功率、風機效率和風壓。其中，風機功率與流量、風壓及風機效率有關，流量和風壓受風機運行工況影響，設計可控性較低。風機效率受葉輪轉速和葉片角度等結構參數影響，為強設計可控因素。

調節風量、出風溫度及送風模式三項控制功能對應的能量性能指標為不同工作狀態轉換過程中的系統損耗，該值很難由公式計算得到，影響因素包括壓縮機、風機的運行時間及其控制方式，其中運行時間受外界條件影響，設計可控性較低，系統滿負荷/部分負荷控制方式是強設計可控變量。

電加熱一般用于冬季熱泵制熱量不足時的輔助加熱，對于冬季供暖或室外溫度較高的地區意義不大，且由于該功能對熱舒適需求的貢獻度最小，因此，不作進一步分析。

通過上述定量及定性分析，剔除其中重復與冗余因素，提取空調EDF如圖5所示。

表3 家用空調的功能、能量性能指標及能量因素

圖5 家用空調EDF集

4.2 耦合EDF分解

在上述提取的EDF中，EDF22和EDF4為獨立能量設計因子，可以直接作為能量設計參數對設計過程進行調控。EDF11、EDF12、EDF21和EDF31均為耦合能量設計因子，需要進行耦合分解，下面以EDF11和EDF21為例，介紹耦合分解過程。

EDF11是容積系數、壓力系數、溫度系數和泄漏系數的乘積，其耦合分解過程如圖6所示。

圖6 EDF11耦合分解過程

對上述參數作定性與定量分析，結合仿真和實驗，將壓縮機容積效率分解成能量設計參數集：EDF11={余隙容積，排氣方式，吸氣管直徑，電機轉速}。壓縮機容積效率的能量優化目標為減小泵體余隙，優化排氣方式和吸氣管直徑以及控制電機運轉。

傳熱系數EDF21耦合要素較為復雜，以翅片管式換熱器的傳熱系數K為例，其計算公式如下[17]：

(8)

式中：di為圓管內徑；do為外徑；λ為管壁材料熱導率；hi為管內壁的表面傳熱系數；ho為管外壁的表面傳熱系數；ηf為翅片效率；β為肋化系數；管壁與肋片的污垢熱阻為ro；接觸熱阻為rb。上述參數中，di、do、β、λ、ro、rb為獨立設計參數，hi、ho、ηf仍存在耦合關系，還需進一步細化分解，通過建立這些參數的表達式，將傳熱系數分解成能量設計參數集：K={片材，片厚，片型，管材，管徑，管型，布局方式，迎面風速}。

4.3 影響系數計算

以整體層EDF為例，說明計算過程。首先給出三位專家對整體層EDF能耗影響程度及各項功能影響程度的評分結果，由于篇幅所限，本文僅給出能耗影響評價數據，如表4。然后將評價結果轉換為三角模糊數，根據公式(3)得到平均三角模糊數判斷矩陣，最后根據公式(4)～(7)計算能耗影響系數、各項功能影響系數、熱舒適影響系數及綜合影響系數，見表5～6。由結果可知，在整體層設計過程中，EDF對熱舒適影響系數從大到小依次為：通風量>換熱量>控制方式>壓縮機功率,能耗影響系數及綜合影響系數從大到小均為：壓縮機功率>控制方式>通風量>換熱量。

重復上述步驟計算部件層/零件層EDF綜合影響系數，由此得到的數值僅代表該層EDF對部件層/零件層局部的影響系數，不能表示對全局的影響程度。若需要獲取整體的影響系數，則需從部件層/零件層回溯至整體層的根節點，其間涉及的各個EDF的?乘積即為整體影響系數。

表4 能耗影響程度專家評價結果

表5 能耗影響程度判斷矩陣

表6 熱舒適/綜合影響系數

5 總結

結合QFD方法與公理設計理論建立了熱舒適驅動的空調節能設計過程模型，構建了基于熱舒適需求的空調功能HoQ，將熱舒適需求轉化為空調功能及其權重等設計信息。在分析功能的能量特性基礎上，針對與能耗相關的功能，提出了EDF的提取策略及對熱舒適與能耗綜合影響系數的量化方法。

提取了家用空調的EDF，對容積效率和傳熱系數進行分解，并對整體層EDF的影響系數進行計算。結果表明：在整體層EDF中，壓縮機功率的能耗影響系數及綜合影響系數均為最大，其次是系統控制方式。因此，根據室內熱負荷選擇功率大小合理的壓縮機型號，采取一定的措施提高壓縮機容積效率和電效率，優化空調系統控制策略是實現舒適節能的重要途徑。該方法同樣適用于其它舒適類空調產品的節能優化設計。

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