基于PMV值的變風(fēng)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(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)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(shè)定的溫/濕度進(jìn)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(fù)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(diǎn)，難以根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化做出及時(shí)調(diào)控，使得大功率單元長時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，造成電力損耗，其能源利用率也難以達(dá)到最優(yōu)；同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)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(yùn)行中負(fù)荷的變化隨氣象參數(shù)的不同而波動的特點(diǎn)，在現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上引入PMV值作為調(diào)控的變量依據(jù)，采用模糊自適應(yīng)PID 算法進(jìn)行相應(yīng)的控制運(yùn)算，通過變風(fēng)量調(diào)節(jié)達(dá)到調(diào)節(jié)滿足最佳PMV值對應(yīng)的環(huán)境狀態(tài)及降低能耗的目的。

1 基于PMV值的變風(fēng)量控制流程

基于PMV 值的變風(fēng)量控制是根據(jù)室內(nèi)的實(shí)時(shí)PMV 值變化，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)閥開度來調(diào)節(jié)出風(fēng)風(fēng)速（出風(fēng)量），從而改變室內(nèi)空氣和風(fēng)機(jī)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)。空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控風(fēng)機(jī)的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于調(diào)控壓縮機(jī)等大功率工作單元的功耗，通過變風(fēng)量控制調(diào)節(jié)室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)進(jìn)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(shí)的響應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出實(shí)時(shí)的PMV值并與最優(yōu)設(shè)定值進(jìn)行比較，將差值作為控制變量。然后采用模糊自適應(yīng)PID 等控制算法對差值進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果對控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，調(diào)整控制參數(shù)對空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)控，調(diào)節(jié)出風(fēng)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(dá)到滿足人體熱舒適度需求。

2 基于PMV值控制策略設(shè)計(jì)

2.1 PMV熱舒適度指標(biāo)

PMV 熱舒適評價(jià)模型是Fanger 基于人體熱舒適方程提出的，用于評價(jià)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(fù)荷大小。在計(jì)算人體的熱舒適度時(shí)，綜合考慮了六個(gè)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(jià)模型及人體熱負(fù)荷計(jì)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(biāo)的值在-3～3 之間，將人體舒適度分為七個(gè)等級，如表1 所示，每個(gè)等級代表不同的熱感覺，當(dāng)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(biāo)所對應(yīng)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(dāng)其他各環(huán)境參數(shù)一定時(shí)，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(fù)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(jì)。

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(gè)環(huán)境參數(shù)的結(jié)合。當(dāng)PMV＞0.5，人體就會感覺偏熱，這種情況下，首先增加出風(fēng)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(yīng)地減少了系統(tǒng)能耗。當(dāng)室內(nèi)空氣流速達(dá)到當(dāng)設(shè)定值時(shí)，此時(shí)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(dāng)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(shí)提高室內(nèi)環(huán)境溫度，及時(shí)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(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度上限而無法繼續(xù)調(diào)節(jié)熱舒適狀態(tài)時(shí)，此時(shí)通過減少出風(fēng)量，降低室內(nèi)空氣流速來進(jìn)一步調(diào)節(jié)熱舒適度值。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 模糊自適應(yīng)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(shè)定房間溫度為26℃，冷凍水進(jìn)口流量為8.3m/s，冷凍水進(jìn)口溫度為7℃，室外空氣溫度為35℃，仿真時(shí)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為0-1250rpm，并在800s 時(shí)設(shè)置了3℃的溫度干擾。

圖4 基于溫度的模糊自適應(yīng)PID控制模型

實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(fù)時(shí)間更短，抗干擾能力更強(qiáng)。模糊自適應(yīng)PID控制算法在實(shí)際的控制過程中，可以使系統(tǒng)更快、更穩(wěn)定的達(dá)到預(yù)定控制狀態(tài)，減小工作單元的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，并降低了能耗。

圖5 基于溫度模糊自適應(yīng)PID控制運(yùn)行效果

3.2 基于PMV的變風(fēng)量控制

如圖6 所示為基于PMV 值的PID 與模糊自適應(yīng)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(fēng)量控制模型

如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)所示為溫度、風(fēng)速、PMV值的仿真結(jié)果圖，按照當(dāng)前實(shí)驗(yàn)參數(shù)，基于PMV 值的變風(fēng)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(fēng)量控制運(yùn)行效果

3.3 實(shí)際環(huán)境參數(shù)測量及能耗結(jié)果分析

通過數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知基于PMV 值的變風(fēng)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(jìn)一步驗(yàn)證該控制策略的控制效果及節(jié)能優(yōu)勢，通過實(shí)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(jìn)行討論與分析。取濟(jì)南某小區(qū)內(nèi)三層別墅內(nèi)客廳為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，無法對中央空調(diào)系統(tǒng)的出風(fēng)量進(jìn)行精確的調(diào)控，通過將室內(nèi)中央空調(diào)設(shè)置為26℃、二檔送風(fēng)風(fēng)速（常規(guī)調(diào)控策略）；27℃、三檔送風(fēng)風(fēng)速（基于PMV值的變風(fēng)量調(diào)控策略）的兩種控制方式進(jìn)行空調(diào)變風(fēng)量控制的模擬，觀察實(shí)際的運(yùn)行效果。

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

圖8 測量點(diǎn)實(shí)時(shí)空氣流速

圖9 為處于兩種控制模式下，室內(nèi)環(huán)境的實(shí)測PMV 值。由圖可知，當(dāng)處于實(shí)際現(xiàn)場，進(jìn)行基于PMV值的變風(fēng)量調(diào)控時(shí)，提高室內(nèi)環(huán)境溫度，相應(yīng)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(fù)荷變化通過室內(nèi)空氣流速的調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)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(diǎn)實(shí)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(shí)段里，基于PMV 值的變風(fēng)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(shè)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(fēng)量調(diào)控策略，可同時(shí)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、空氣流速、室內(nèi)相對濕度等多個(gè)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(shí)，基于PMV值的變風(fēng)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(fēng)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而將壓縮機(jī)、循環(huán)水泵調(diào)節(jié)溫度的功耗用風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)速的功耗來代替，在滿足人體的熱舒適度需求的同時(shí)可有效的降低能耗。