基于乘客熱舒適指標的地鐵車廂空調控制系統研究

(青島理工大學 山東 青島 266033)

基于乘客熱舒適指標的地鐵車廂空調控制系統研究

夏積玉

(青島理工大學山東青島266033)

本文以體感熱舒適理論作為列車空調熱舒適評價的理論依據，綜合考慮人體新陳代謝率，服裝熱阻，溫度，濕度，風速，輻射溫度等對人體熱舒適的影響。結合實際情況根據室外氣象參數，載客量等數據得出計算人體熱舒適指標PMV所需參數，從而給出適用于地鐵車廂空調的PMV計算方法。運用PID控制的方法來控制車廂內熱舒適環境，使車廂內的環境滿足乘客的需求。運用MATLAB軟件建立控制仿真模型，進行SIMULINK仿真，驗證控制方法的可行性。

地鐵車廂空調；熱舒適指標PMV；PID控制

一、前言

隨著我國的經濟的發展，城鎮化的進程的推進，城市面臨著日益嚴重的交通和環境問題。地鐵作為一種高效通勤，快速，準點，環境污染小的交通工具有效地解決了城市交通擁堵問題。隨著乘坐地鐵的乘客越來越多，對地鐵的熱舒適環境提出了更高的要求。地鐵車廂與建筑空間有很大的不同。地鐵車廂人員密度大且不固定，而且地鐵車廂內的溫濕度、風速、乘客的新陳代謝率等參數都會不同程度的受到車廂人員密度的影響。地鐵車廂不同于辦公住宅等建筑，地鐵車廂屬于公共場所，人體服裝調節受限，乘客的著裝受所處地區當天室外氣象參數的影響，進入車廂后無法較方便的進行著裝的調節，屬于熱環境的被動接受者。

二、地鐵車廂空調系統控制現狀

我國對地鐵車廂熱舒適環境沒有明確規定，且各地根據自身情況設定不同的控制方式。各地的相關規定多參照國際鐵路聯盟標準規范(UIC553-2004)對室內溫度進行設定。國際鐵路聯盟標準規范以室內外溫差作為車廂設定溫度的標準，國內的地鐵設計規范、地鐵車輛通用技術條件(GB/T7928-2003)、等相關設計規范大多只考慮控制溫度，未考慮到乘客的服裝熱阻，乘客人員數量，車廂內空氣流速等諸多因素[2]。影響人體熱舒適的因素有平均輻射溫度，新陳代謝率，做功情況，空氣流速，相對濕度，服裝熱阻等諸多因素。單一的溫度控制無法滿足熱舒適的控制要求。車內極易出現過冷過熱情況[3]。我國目前在地鐵車廂的溫度控制上，并未給出統一明確的設定標準，主要借UIC553的溫度曲線，并給出了優化。

三、控制方案的選擇及PMV計算

(一)控制方案的選擇

本文以乘客熱舒適指標PMV為地鐵車廂熱舒適情況的理論依據，運用PID控制的方法控制地鐵車廂熱環境，該控制器的輸入變量為車廂內空氣溫度及車廂內空氣溫度變化率，設定溫度由計算器通過計算熱舒適指標PMV給出。是一種熱舒適指標的間接控制方式，根據實時測得載客量、與該地區當天室外氣象參數作為輸入參數計算出熱舒適指標PMV等于0的溫度值作為設定值。

(二)PMV計算方法

地鐵車廂中，溫濕度、風速均可以由相應的傳感器監測，基于風速傳感器價格昂貴且易于損壞的特點，可通過CFD模擬的方法確定乘客區的風速大小并給出設定值。在低風速情況下(我國暖通空調設計規范規定:夏季舒適空調風速不應大于0.3m/s)且風速變化不大的舒適空調環境,在計算PMV指標時,完全可將風速設定為常數0.2m/s。乘客在地鐵車廂內做功可視為零。一般空調房間相對濕度的分布是比較均勻的，在一個點對濕度的測量結果可以代表整個房間的濕度，由于濕度對人體熱舒適的影響較小，因此不必要對濕度進行精確控制，不同標準都是給出一個范圍。地鐵中的空氣溫度基本上處于16-25℃之間，空氣濕度對熱感覺的影響相對較小。本計算程序空氣相對濕度取值為0.5。平均輻射溫度的各種計算方法在車廂中實現起來相當復雜，黑球溫度計又有一定的延遲性，在地鐵車廂中并不能很好的實現實時測量。根據車廂內的空氣溫度，由下式即可求出平均輻射溫度。

tr=0.868ta+1.0856

在地鐵車廂中，乘客的活動狀態與載客量有很大關系，因此可以根據載客量來預測車廂中乘客的狀態，然后得出車廂中乘客的整體代謝率水平。

在地鐵車廂這類公共場所中，乘客的衣著量基本與室外相同，影響室外著裝的主要因素是室外溫、濕度風速等氣象參數，可根據參考文獻確定，然后運用下式計算PMV。

運用上式及相關計算方法計算PMV為地鐵車廂熱舒適的控制提供依據。

四、系統仿真

盡管現代控制理論出現了模糊控制，神經網絡控制等多種控制理論，但這些控制方法本身比較復雜，工程應用比較麻煩。PID控制作為一種簡單可靠的經典控制理論在工程實際中仍然得到廣泛應用。根據PID控制原理與地鐵車廂空調系統的情況基于MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，其模型如下：

圖1 地鐵車廂空調控制系統仿真模型

上述模型中輸入為單位階躍信號，仿真時間設置為1000s，TransferFcn3為空調系統傳遞函數，TransferFcn為地鐵車廂傳遞函數，TransportDelay1、TransportDelay為空調系統和地鐵車廂相應的時間延遲。利用Ziegler-Nichols法根據給定對象的瞬態響應特性來確定PID控制器的參數。進系統仿真得出如下圖所示的系統響應曲線。

圖2 地鐵車廂空調控制系統仿真模型響應曲線

[1]孫麗花.某線地鐵列車客室冷熱不均機理分析及改進[J].城市軌道交通研究,2015,18(7):116-118.

[2]馬沂文.地鐵車輛通用技術條件(GB/T7928-2003)標準解讀(續完)[J].電力機車與城軌車輛,2006,29(4):88-90.

[3]蔣雅萌.地鐵車廂內夏季熱環境的現場研究[D].青島理工大學,2014.

夏積玉(1992.08-)，男，漢，河南省周口市，研究生，青島理工大學，研究方向建筑與列車空調節能技術。