基于PMV指標的室內環境熱舒適度控制器設計

馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東　濟南　250101）

基于PMV指標的室內環境熱舒適度控制器設計

馮鑫，段培永，段晨旭

（山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東濟南250101）

摘要：針對目前室內熱環境調節缺少合理控制方法的問題，本文在分析溫度、濕度、風速和平均輻射溫度四個熱環境參數對PMV指數影響的基礎上，基于人體舒適度模型的模糊控制，將嵌入式ARM9芯片作為主控制芯片，結合無線傳感網絡，設計了一種室內舒適度控制器，并闡述了其系統構成與決策方法。該控制器不僅布設方便，而且能夠在保證人體室內舒適度的情況下，減少調節室內熱環境過程中帶來的能耗。

關鍵詞：PMV指數；熱舒適度；模糊控制

我國的建筑能耗約占總能耗的30%，并且還在持續增加，其中暖通空調系統的能耗占建筑能耗的30%～60%［1］。在2015年1月1日起開始實施的新綠色建筑評價標準（GB/T50378-2014［2］）中，已將暖通空調的能耗作為綠色建筑評價中的重要組成部分。目前室內熱環境主要檢測溫度、濕度，進行恒溫恒濕控制［3］，卻忽略了人體舒適感在室內熱環境控制中的主體地位。在一些舒適度控制的研究中多采用各種優化算法進行熱舒適度的建模，并對熱舒適度進行預測［4－5］，復雜的建模及優化方法在一定程度上可以提高熱舒適度的控制精度，但對控制器的實現造成了困難。此外，在相關研究所建立的空氣調節模型中僅考慮人體的舒適性，沒有考慮能源消耗這一因素［6］。因此，本文在分析幾個環境因素對舒適度影響的基礎上，結合舒適度評價指標，設計了更便于實施的舒適度控制方法。

在眾多的舒適度的評價指標中［7］，本文選用最具代表性的預測平均投票指標（predictedmeanvote，PMV），PMV指標最早由丹麥教授Fanger提出［8］，該指標綜合考慮了相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度以及人體活動情況、著衣情況、空氣溫度等6個因素，代表了大多數人的冷熱感覺，并且規定舒適度指標值FPMV在－0.5～0.5時為舒適范圍。研究數據表明，在PMV指標的指導下，通過控制溫度這一單一影響因素就能達到約5.6%的節能效果［9］，并且其在冷熱輻射系統（RHCS）以及機械通風的辦公樓熱舒適評價中也起到了重要的指導作用［10－11］。但PMV指標有些參量的測量很復雜，為保證舒適度控制精度以及控制算法更加便于實施，本文采用對人體活動情況、著衣情況做近似處理，將空氣溫度、空氣濕度和空氣流速作為輸入參數與控制量的方法，進行舒適度控制器的設計。根據室內不同的熱環境狀況，通過調節這3個參數的組合，例如，濕度在30%～60%之間變化時，溫度可以在26～27℃變化［12］，再加入風量，實現在保證室內人體熱舒適度的前提下，降低調節室內熱環境造成的能耗。

1　熱環境參數對舒適度指標的影響分析

1.1風速對舒適度指數的影響

假定平均輻射溫度為26℃，相對濕度為50%，從圖1中可以得出：（1）風速v越大，FPMV值越小，而且風速對PMV指標的影響隨著風速的增加越來越小。研究表明，在通過空氣流速調節室內FPMV值時，風速應當控制在0.2～0.8m/s的范圍內，風速過大會對人身體帶來不適感［12］。（2）空氣溫度ta越高，風速對FPMV的影響越小，在舒適度調節中的權重變小。外界環境溫度約等于人體表面平均溫度時，風速這一單一因素對FPMV值的影響減弱，空氣濕度在舒適度調節中的作用加強。

圖1　風速對PMV指標的影響Fig.1　Impact　of　air　velocity　on　PMV　index

圖2　相對濕度對PMV指標的影響Fig.2　Impact　of　relative　humidity　on　PMV　index

1.2空氣濕度對舒適度指標的影響

人體皮膚表面散失的熱量與空氣濕度相關，從而影響人體舒適感。假設平均輻射溫度為26℃，風速取0.1m/s，從圖2中可以得出隨著溫度的升高，空氣濕度對FPMV值的影響越來越明顯，而且溫度對FPMV值影響要大于濕度。當空氣溫度在20～25℃范圍內，相對濕度的變化對FPMV值的影響并不明顯；只有當空氣溫度較高時，空氣濕度才成為影響人體熱感覺的重要因素。

1.3空氣溫度對舒適度指數的影響

空氣溫度直接影響人體與周圍環境熱量交換從而影響人體舒適感，在PMV舒適指標中所占的權重最大。PMV指標將冷熱環境中人體的反應分為7級：熱、稍熱、暖、舒適、涼、較涼和冷，分別對應了PMV指標的7個值：－3、－2、－1、0、1、2、3。從圖3中得出，在不同的輻射溫度tr下，隨著溫度的增大，FPMV值呈線性增長，并且從曲線的斜率中也可以看出空氣溫度對FPMV的影響非常明顯。

1.4平均輻射溫度對舒適度指標的影響

平均輻射溫度是指建筑物圍護結構表面所輻射熱量的平均溫度，它對室內的環境溫度會有影響。從圖4中可以得出，隨著輻射溫度的上升，FPMV值也呈線性上升趨勢，這與空氣溫度對FPMV值的影響相似，在本文中對平均輻射溫度與空氣溫度做等價處理。

圖3　空氣溫度對PMV指標的影響Fig.3　Impact　of　air　temperature　on　PMV　index

圖4　平均輻射溫度對PMV指標的影響Fig.4　Impact　ofmean　radiant　temperature　on　PMV　index

在舒適度控制中，空氣溫度ta、濕度、風速v和平均輻射溫度tr四個因素是環境變量，對人體活動情況、著衣情況兩個變量是屬于不可控制的變量，因此僅分析了四個環境變量對舒適度指標的影響。

在分析完環境變量對舒適度指標的影響之后，對Fanger公式（1）～（3）中變量根據北方室內的實際情況作近似處理，如表1所示；溫度、濕度與PMV舒適度指標的變量值FPMV的對應關系，如表2所示。

式中，M為人體能量代謝率，W/m2；W為人體活動量，W/m2；η為機械效率；P為空氣中水蒸氣分壓力，Pa；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tr為房間的平均輻射溫度，℃；fcl為人體著衣面積與裸露面積的比值；tcl為衣服外表面溫度，℃。

hc為表面傳熱系數，W/（m2·K）；Icl為著衣熱阻，m2·℃/W。

va為室內風速，m/s。

表1　近似處理的變量值Table　1　Variable　values　of　approximate　processing

表2中M＝69.78W/m2，fcl＝1.10，tcl＝0.11（或tcl＝0.093）℃，v＝0.2m/s。從表2中可以看出，在風速取0.2m/s，溫度在21～26℃，濕度在20%～80%之間變化時，溫度與濕度在表中黑線區域內的取值可以保證PMV舒適度指標值FPMV在－0.5～0.5之間變動。結合圖1風速對舒適度指標的影響，溫度取定值時，空氣流動可以使PMV指標減小。綜上所述，在夏季工況下，通過提高室內空調設定溫度、相對濕度，再加上適當風速對舒適度指標進行補償，可保持舒適度指標在允許范圍內，實現節能的目的。

表2　PMV輸出值FPMVTable　2　Output　value　FPMVof　PMV

2　舒適度控制系統結構

舒適度控制器系統主要由底層的執行模塊、中間層的通信模塊和上層的決策模塊3大部分組成，如圖5所示。底層的執行模塊包括熱環境參數傳感器和風扇、空調和加濕器執行機構，負責熱環境參數的采集與調節。中間層的通信模塊由多個無線節點構成，負責熱環境參數與控制參數，在決策模塊與執行模塊之間的傳輸。上層的決策模塊包括主控制芯片與外圍電路，負責根據當前熱環境參數計算出PMV舒適度指標，以及制定出舒適度策略。

圖5　舒適度控制器系統結構圖Fig.5　Structure　of　comfort　controller　system

（1）熱環境傳感器的檢測參數

考慮到PMV指標中6個變量中人體活動程度、衣服熱阻不便于測量，結合表2對相關變量做了近似處理。因此選取合適的傳感器僅實時檢測空氣溫度、相對濕度和風速3個環境變量。

（2）通信層數據傳輸方式

在實際系統搭建的過程中，熱環境傳感器、風扇、空調和加濕器在室內空間分布比較靈活，不同的空間分布方式測得的PMV指標FPMV值可能不同，執行機構的執行效果也不同。因此采用無線傳感網絡作為數據傳輸方式，在靈活性和擴展性方面有著巨大的優勢。

（3）決策層數據處理

通信層傳輸來的熱環境參數通過計算轉換成實時的PMV指標，根據PMV控制策略控制執行機構，控制溫度、濕度和風速調節室內環境。

執行機構可根據不同的控制方法采用不同的設置，風扇、空調和加濕器等裝置的控制方法各有不同，但總的控制策略是不變的，通過主控制器控制不同的執行機構，實現對室內溫度、濕度和風速的調節。

3　PMV控制策略及方法

3.1PMV控制策略

在實現調節FPMV值上，風速調節的能耗要遠遠低于溫度調節。根據表1風速在0.2m/s、溫度在26℃、濕度在50%時的FPMV值為0.71，再結合圖1風速對FPMV值的影響作用，通過將風速從0.2提高到0.6m/s可以使FPMV值減小到0.5以下，可采用室內局部安裝風扇，通過控制局部風扇的風速實現PMV調節，從而在不降低空調設定溫度的情況下，控制PMV舒適指標值FPMV在的－1～1的合理的范圍以內。

溫度與相對濕度之間具有較強的耦合關系，水蒸氣分壓力Pa一定時，濕度隨著溫度的增大而減小，反之增大。從圖2中可以看出在不同的溫度下FPMV曲線斜率較小，說明一定溫度下濕度對PMV指標影響較小。從表2中可以看出，當濕度在30%～60%之間，溫度在27℃仍可保證FPMV值在＋1以下，因此在相對濕度較低時，適當提高溫度。

3.2PMV策略控制方法

就上文提到的控制策略，采用模糊PID的控制方法實施［13］，具體控制方法為檢測3個環境參數溫度、相對濕度和風速。把采集到的熱環境數據輸入控制器中，通過溫度、濕度值與FPMV轉換表得到實時的PMV指標，然后將FPMV值作為模糊控制器的目標值，若FPMV在合理范圍±0.5內，則控制器不對輸出信號U做修正。否則，控制器就要在保持FPMV不變的基礎上，控制溫度、濕度和風速調節室內環境。模糊控制器的系統結構如圖6所示。

圖6　模糊控制系統框圖Fig.6　Block　diagram　of　fuzzy　control　system

首先控制器測得實際的溫度值ta、風速v、濕度值hr，由上文經舒適度模型運算查表2得出目前實際的FPMV1值，將控制器設定的舒適度值FPMV0與FPMV1進行比較，得到舒適度的偏差值，e＝ΔFPMV即為兩者差值的絕對值，然后根據e與1的比較進行不同的計算。當e＞1時，采用PID參數自組織模糊控制方法，根據E和Ec的變化情況，對PID的參數Kp、Ki及時間變量T′進行在線自整定。當e＜1時，計算得出舒適度偏差值e的變化率ec＝de/dT，將舒適度偏差值e與舒適度偏差值變化率ec，分別進行模糊化得到模糊量E和EC（E為舒適度偏差論域，EC為舒適度偏差變化率論域），E、EC＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝。經過模糊推理得到給定信號U。

4　結語

本文在分析室內熱環境因素對PMV舒適度指標影響的基礎上，對舒適度控制器進行了系統設計，通過模糊控制決策得出溫度、濕度和風速的設定值，為舒適度的控制提供了更加便于使用的數據。采用嵌入式系統與無線傳感網絡的結合，也更加有利于舒適度系統控制策略的實施。在下一步的工作中，需要完成對控制器硬件電路部分的設計與制作，進行對舒適度控制策略方面的完善，最終在保證人體舒適度的前提下實現節能的目的。

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PMVindexbaseddesignofindoorthermalenvironmentcomfortcontroller

FENGXin，DUANPei-yong，DUANChen-xu

（DepartmentofInformationandElectricalEngineering，ShandongJianzhuUniversity，Jinan250101，China）

Abstract：Inviewoftheissueoflackingreasonablecontrolmethodinindoorthermalenvironmentregulation，wedesignanindoorthermalcomfortcontrollerbasedonanalysisoftheinfluenceofairtemperature，relativehumidity，meanradianttemperatureandairvelocityonPMV（PredictedmeanVote）index，humanbodycomfortmodelbasedfuzzycontrol，embeddedchipARM9andwirelesssensornetworks.Wealsopresentitssystemcompositionanddecisionmethod.Thecontrollernotonlyisconvenienttobedeployed，butalsocanreduceenergyconsumptioncausedbyindoorthermalenvironmentregulationbasedonguaranteeinghumanbodycomfortindex.

Keywords：PMVindex；thermalcomfort；fuzzycontrol

中圖分類號：TP272

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0110-06

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.019

收稿日期：2015-11-13

基金項目：國家自然科學基金（61374187）

作者簡介：馮鑫（1988－），男，碩士研究生，研究方向為智能環境與網絡化控制研究。Email：fengxin0205＠126.com