基于乘客熱舒適指標(biāo)的地鐵車廂空調(diào)控制系統(tǒng)研究

(青島理工大學(xué) 山東 青島 266033)

基于乘客熱舒適指標(biāo)的地鐵車廂空調(diào)控制系統(tǒng)研究

夏積玉

(青島理工大學(xué)山東青島266033)

本文以體感熱舒適理論作為列車空調(diào)熱舒適評(píng)價(jià)的理論依據(jù)，綜合考慮人體新陳代謝率，服裝熱阻，溫度，濕度，風(fēng)速，輻射溫度等對(duì)人體熱舒適的影響。結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)室外氣象參數(shù)，載客量等數(shù)據(jù)得出計(jì)算人體熱舒適指標(biāo)PMV所需參數(shù)，從而給出適用于地鐵車廂空調(diào)的PMV計(jì)算方法。運(yùn)用PID控制的方法來(lái)控制車廂內(nèi)熱舒適環(huán)境，使車廂內(nèi)的環(huán)境滿足乘客的需求。運(yùn)用MATLAB軟件建立控制仿真模型，進(jìn)行SIMULINK仿真，驗(yàn)證控制方法的可行性。

地鐵車廂空調(diào)；熱舒適指標(biāo)PMV；PID控制

一、前言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化的進(jìn)程的推進(jìn)，城市面臨著日益嚴(yán)重的交通和環(huán)境問(wèn)題。地鐵作為一種高效通勤，快速，準(zhǔn)點(diǎn)，環(huán)境污染小的交通工具有效地解決了城市交通擁堵問(wèn)題。隨著乘坐地鐵的乘客越來(lái)越多，對(duì)地鐵的熱舒適環(huán)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(nèi)的溫濕度、風(fēng)速、乘客的新陳代謝率等參數(shù)都會(huì)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(chǎng)所，人體服裝調(diào)節(jié)受限，乘客的著裝受所處地區(qū)當(dāng)天室外氣象參數(shù)的影響，進(jìn)入車廂后無(wú)法較方便的進(jìn)行著裝的調(diào)節(jié)，屬于熱環(huán)境的被動(dòng)接受者。

二、地鐵車廂空調(diào)系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)地鐵車廂熱舒適環(huán)境沒有明確規(guī)定，且各地根據(jù)自身情況設(shè)定不同的控制方式。各地的相關(guān)規(guī)定多參照國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(UIC553-2004)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行設(shè)定。國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以室內(nèi)外溫差作為車廂設(shè)定溫度的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范、地鐵車輛通用技術(shù)條件(GB/T7928-2003)、等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)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(shù)量，車廂內(nèi)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(duì)濕度，服裝熱阻等諸多因素。單一的溫度控制無(wú)法滿足熱舒適的控制要求。車內(nèi)極易出現(xiàn)過(guò)冷過(guò)熱情況[3]。我國(guó)目前在地鐵車廂的溫度控制上，并未給出統(tǒng)一明確的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，主要借UIC553的溫度曲線，并給出了優(yōu)化。

三、控制方案的選擇及PMV計(jì)算

(一)控制方案的選擇

本文以乘客熱舒適指標(biāo)PMV為地鐵車廂熱舒適情況的理論依據(jù)，運(yùn)用PID控制的方法控制地鐵車廂熱環(huán)境，該控制器的輸入變量為車廂內(nèi)空氣溫度及車廂內(nèi)空氣溫度變化率，設(shè)定溫度由計(jì)算器通過(guò)計(jì)算熱舒適指標(biāo)PMV給出。是一種熱舒適指標(biāo)的間接控制方式，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得載客量、與該地區(qū)當(dāng)天室外氣象參數(shù)作為輸入?yún)?shù)計(jì)算出熱舒適指標(biāo)PMV等于0的溫度值作為設(shè)定值。

(二)PMV計(jì)算方法

地鐵車廂中，溫濕度、風(fēng)速均可以由相應(yīng)的傳感器監(jiān)測(cè)，基于風(fēng)速傳感器價(jià)格昂貴且易于損壞的特點(diǎn)，可通過(guò)CFD模擬的方法確定乘客區(qū)的風(fēng)速大小并給出設(shè)定值。在低風(fēng)速情況下(我國(guó)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:夏季舒適空調(diào)風(fēng)速不應(yīng)大于0.3m/s)且風(fēng)速變化不大的舒適空調(diào)環(huán)境,在計(jì)算PMV指標(biāo)時(shí),完全可將風(fēng)速設(shè)定為常數(shù)0.2m/s。乘客在地鐵車廂內(nèi)做功可視為零。一般空調(diào)房間相對(duì)濕度的分布是比較均勻的，在一個(gè)點(diǎn)對(duì)濕度的測(cè)量結(jié)果可以代表整個(gè)房間的濕度，由于濕度對(duì)人體熱舒適的影響較小，因此不必要對(duì)濕度進(jìn)行精確控制，不同標(biāo)準(zhǔn)都是給出一個(gè)范圍。地鐵中的空氣溫度基本上處于16-25℃之間，空氣濕度對(duì)熱感覺的影響相對(duì)較小。本計(jì)算程序空氣相對(duì)濕度取值為0.5。平均輻射溫度的各種計(jì)算方法在車廂中實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，黑球溫度計(jì)又有一定的延遲性，在地鐵車廂中并不能很好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。根據(jù)車廂內(nèi)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(dòng)狀態(tài)與載客量有很大關(guān)系，因此可以根據(jù)載客量來(lái)預(yù)測(cè)車廂中乘客的狀態(tài)，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(chǎng)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(fēng)速等氣象參數(shù)，可根據(jù)參考文獻(xiàn)確定，然后運(yùn)用下式計(jì)算PMV。

運(yùn)用上式及相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算PMV為地鐵車廂熱舒適的控制提供依據(jù)。

四、系統(tǒng)仿真

盡管現(xiàn)代控制理論出現(xiàn)了模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種控制理論，但這些控制方法本身比較復(fù)雜，工程應(yīng)用比較麻煩。PID控制作為一種簡(jiǎn)單可靠的經(jīng)典控制理論在工程實(shí)際中仍然得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)PID控制原理與地鐵車廂空調(diào)系統(tǒng)的情況基于MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，其模型如下：

圖1 地鐵車廂空調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型

上述模型中輸入為單位階躍信號(hào)，仿真時(shí)間設(shè)置為1000s，TransferFcn3為空調(diào)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，TransferFcn為地鐵車廂傳遞函數(shù)，TransportDelay1、TransportDelay為空調(diào)系統(tǒng)和地鐵車廂相應(yīng)的時(shí)間延遲。利用Ziegler-Nichols法根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特性來(lái)確定PID控制器的參數(shù)。進(jìn)系統(tǒng)仿真得出如下圖所示的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

圖2 地鐵車廂空調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型響應(yīng)曲線

[1]孫麗花.某線地鐵列車客室冷熱不均機(jī)理分析及改進(jìn)[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(shù)條件(GB/T7928-2003)標(biāo)準(zhǔn)解讀(續(xù)完)[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2006,29(4):88-90.

[3]蔣雅萌.地鐵車廂內(nèi)夏季熱環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)研究[D].青島理工大學(xué),2014.

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