空調(diào)制冷系統(tǒng)的自動化控制與節(jié)能策略研究

趙奇劍， 應(yīng)雪明， 陳敏霞， 梅佳妮

（杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司， 浙江 杭州 310000）

引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，尤其是對居住環(huán)境、辦公環(huán)境的舒適性要求，對各類空調(diào)的需求呈爆發(fā)式增長態(tài)勢，對環(huán)境造成了極大的破壞作用，均違背了我國保護生態(tài)環(huán)境的理念。制冷系統(tǒng)的自動化控制及節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用對于生態(tài)、社會、經(jīng)濟均具有重要的現(xiàn)實及實踐應(yīng)用意義。

空調(diào)的制冷系統(tǒng)工作原理都較為復(fù)雜，但其中都需要應(yīng)用到制冷劑，其中最常見的制冷劑為氟利昂，但如果其劑量使用過大，則容易引起臭氧空洞，導(dǎo)致全球變暖現(xiàn)象加劇。因此，本文應(yīng)用自動化調(diào)節(jié)技術(shù)，在保障室內(nèi)環(huán)境溫度適宜的情況下，減少對環(huán)境的污染。將自動化控制及節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)制冷系統(tǒng)中，能最大程度上減少電能消耗，削減城市電力峰谷差值，同時最大程度上保障了用電安全。當(dāng)前我國每年仍然有大量石化能源依靠國外進口，消耗掉巨量外匯儲備。而空調(diào)自動化控制及節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效降低能源的消耗，有助于更好地建設(shè)資源節(jié)約型社會。

1 文獻回顧

自動化控制重點在于設(shè)置自動化控制的策略，一般而言是設(shè)置幾個相應(yīng)的閾值。這種控制方法是基于人為偏好的設(shè)定，并不能反映居住者實際的舒適效果，難以時刻匹配居住者的最優(yōu)溫度感知環(huán)境。過往研究中表明大約有50%的恒溫器溫度設(shè)定不符合人體舒適度范圍，其中低于16 ℃的比例接近20%，導(dǎo)致過高的能源消耗[1]；此外，Sadineni 和Boehm 還證明，將溫度從23.9 ℃提高到26.1 ℃時，峰值電能需求可以減少69%，許多學(xué)者嘗試使用預(yù)測平均投票（PMV）模型來控制室內(nèi)熱環(huán)境[2]。此外，為了解決溫度設(shè)定值難以確定的問題，提高人體熱舒適性，許多學(xué)者還著重研究了基于反饋的控制策略。有學(xué)者提出了一種基于滿意度的控制策略，在該策略中，使用者可以通過人機界面（HMI）輸入他們的熱感覺[3]。研究的實驗結(jié)果表明，基于滿意度的控制可以在提供良好的熱環(huán)境的同時達到節(jié)能的目的。

2 方法步驟

2.1 室內(nèi)環(huán)境溫度的最優(yōu)控制邏輯

在室內(nèi)熱環(huán)境控制過程中，通常采用基于靜態(tài)設(shè)定值的控制方法，使室內(nèi)空氣溫度保持在設(shè)定值的合理范圍內(nèi)。但在實際運行中，室內(nèi)溫度設(shè)定值難以確定，控制方法不能實時反映居住者的熱舒適性。因此，引入一個優(yōu)化控制回路，如圖1 所示，該回路以人體實時熱感覺為輸入來調(diào)節(jié)溫度設(shè)定值。與基于靜態(tài)設(shè)定點的控制相比，基于熱感覺的控制邏輯可以根據(jù)當(dāng)前時刻的溫度設(shè)定點和熱感覺來調(diào)整溫度設(shè)定點。作為控制邏輯的一個輸入?yún)?shù)，實時人體熱感覺需要通過在線監(jiān)測獲得，并傳遞給控制系統(tǒng)。在本研究中，使用腕帶裝置來收集生理資料，并預(yù)測人體的溫度熱感覺，這種預(yù)測的數(shù)值是受實際溫度強烈影響下的用戶真實熱感受。

2.2 在線監(jiān)測人體熱感覺模型

本研究使用線性回歸模型來計算人體熱感覺，其可表示為：

式中：TS代表估計的熱感覺，Twsk代表手腕皮膚溫度，Dwsk代表手腕皮膚溫度的時間差，HR代表心率，常數(shù)a、b、c、d 代表估計模型的回歸系數(shù)。因此，可以通過監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)來計算個體的熱感覺。

2.3 熱感覺的模糊綜合評價方法

控制系統(tǒng)需要對所有居住者的熱感覺進行綜合評價，然后確定綜合熱感覺，以優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的運行，因此有必要尋找一種合理的方法來計算所有人的整體熱感覺。與加權(quán)平均法相比，模糊綜合評判法能更準確、合理、客觀地評價綜合熱感覺，有效排除。具體步驟如下所述。

2.3.1 建立因子集和評價集

當(dāng)被評價對象由n 個因子組成時，該對象的因子集合可以表示為：

如果每個因素對對象都有m 個等級，那么對象集可以指定為：

在本研究中，綜合熱感覺的相應(yīng)因子集是控制區(qū)域內(nèi)的一組居住者，綜合熱感覺的評價集由ASHRAE 7 點量表[32]：冷（-3）、冷（-2）、微冷（-1）、中性（0）、微暖（-1）、暖（-2）和熱（-3）組成，這樣的話公式（3）又可以表示為：

2.3.2 確定單因素評價集

針對評價對象的每個單因素ri的評價構(gòu)成了第i個因素的單因素評價集，可以通過

由公式（1）估計的熱感覺是一個確定的值，需要將其模糊化為模糊域中的模糊集。對于計算出的熱感覺值，采用單值隸屬度法可得到各熱感覺評價等級的隸屬度。

2.3.3 構(gòu)建綜合評價矩陣

2.4 確定因素的權(quán)重

由于各因素對評價對象的影響程度不同，需要確定各因素集的權(quán)重。因子的權(quán)重集可以表示為：

式中，ai表示第i 個因子的權(quán)重，并滿足如下方程：

在普通建筑中，每個因素的權(quán)重可以設(shè)置為相同的值。但在醫(yī)院、高級寫字樓等一些特殊用途建筑中，可根據(jù)特殊用途建設(shè)的實際需要增加部分人員的重量。

2.5 確定綜合評價模型

如果確定了綜合評價矩陣R 和因子A 的權(quán)重集，則可以通過模糊變換得到模糊綜合評價集B，其可表示為：

公式（9）中，?表示矩陣運算符。這里，綜合評價模型采用加權(quán)平均模型M，模糊綜合評價集（bj）的第j個元素可以通過。

2.6 綜合評價

在得到模糊綜合評價集B 后，需要得到一個確定的評價。選擇隸屬度bi作為權(quán)重系數(shù)，以各vi的加權(quán)平均值v 作為評價結(jié)果，可以表示為。

綜上，所有室內(nèi)居住者的溫度熱感覺程度按上述步驟進行計算。

2.7 空調(diào)溫度設(shè)定點的線性調(diào)整算法

在獲得完整的熱感覺后，提出了一種線性調(diào)整算法來優(yōu)化溫度設(shè)定點，如下所示：

式中：TSTO表示優(yōu)化溫度設(shè)定點，TST表示非優(yōu)化溫度設(shè)定點，TST表示綜合熱感覺，TSTMAX表示溫度設(shè)定點的上下限，TSTMIN表示溫度設(shè)定點的下限，KTI表示與溫度設(shè)定點升高相對應(yīng)的線性調(diào)整常數(shù)，KTD表示與溫度設(shè)定點降低相對應(yīng)的線性調(diào)整常數(shù)。線性調(diào)整算法類似于比例控制。

當(dāng)綜合熱感覺小于-2.5，即大多數(shù)居住者感到寒冷時，優(yōu)化的溫度設(shè)定值等于溫度設(shè)定值的上限。當(dāng)綜合熱感覺在-2.5 和-0.5 之間時，即大多數(shù)居住者感到?jīng)鏊蛏詻?，最佳溫度設(shè)定點隨KTI的斜率而增大。當(dāng)集成熱感覺在-0.5 和0.5 之間時，即當(dāng)前溫度設(shè)定點合適時，優(yōu)化溫度設(shè)定點等于非優(yōu)化溫度設(shè)定點。當(dāng)綜合熱感覺在0.5 到2.5 之間時，即大多數(shù)居住者感到溫暖或略感溫暖，則優(yōu)化溫度設(shè)定值隨KTD的斜率而減小。當(dāng)綜合熱感覺大于2.5，即大多數(shù)居住者感到熱時，優(yōu)化的溫度設(shè)定值等于溫度設(shè)定值的下限。

在溫度設(shè)定點的線性調(diào)整算法中，KTI由未優(yōu)化的溫度設(shè)定點和溫度設(shè)定點的上限決定，可由如下公式來表示：

KTD由未優(yōu)化的溫度設(shè)定點和溫度設(shè)定點的下限確定，寫為。

通過上述方法步驟的調(diào)整，保障外部氣溫夏季條件下，室內(nèi)相對濕度在近20%至70%之間時，室內(nèi)工作溫度的在可接受范圍22～28 ℃之間浮動變化，保障居住者的舒適的溫度感知，防止過冷、過熱現(xiàn)象發(fā)生，一定程度上實現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。

2.8 基于ZigBee 無線通信協(xié)議的空調(diào)—腕帶溫度控制系統(tǒng)

上述內(nèi)容通過感知人體冷熱程度，對空調(diào)的功率變化進行實時調(diào)控；但鏈接人體及空調(diào)設(shè)備需要載體及介質(zhì)；則需要應(yīng)用到ZigBee 技術(shù)。ZigBee 是一項新型的無線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間。

ZigBee 是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA 和GSM網(wǎng)絡(luò)。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：低功耗、低成本、低時延、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全；其廣泛地應(yīng)用于家庭和建筑物的自動化控制，照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠程控制；消費性電子設(shè)備，電視、DVD、CD 機等電器的遠程遙控等諸多場景。該系統(tǒng)的具體運作原理如下圖2 所示。

由圖2 可知，融合前文研究內(nèi)容，腕表實時監(jiān)測人體數(shù)據(jù)，通過微處理器將信息通過ZigBee 協(xié)議傳輸給空調(diào)傳感器，智能化調(diào)節(jié)空調(diào)運行功率，進而達到人體最適感知溫度，實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

3 結(jié)語

綜合上述研究，提出了一種基于熱感覺的控制方法，詳述了如何確定最佳人體溫度的方法步驟，設(shè)定空調(diào)溫度設(shè)定點的閾值，改變室內(nèi)空調(diào)的自動化控制策略；該過程利用腕帶實現(xiàn)熱感覺的在線監(jiān)測，設(shè)計了ZigBee 無線通信協(xié)議的空調(diào)—腕帶溫度控制系統(tǒng)，最終目的是提高人體室內(nèi)溫度舒適性，實現(xiàn)節(jié)能效果。但本研究在實踐層面的試驗研究不足，未來研究將加大試驗層面的投入。