CN1924470A - 具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置 - Google Patents

Abstract

一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，所述的控制装置包括微处理器、室内温度传感器、湿度传感器、室外机启动电路、室外温度数据采集器、室外机供电电源的占空比控制器以及用于存储热舒适度PMV与温度、湿度的对应序列以及热舒适度与占空比的对应序列的存储模块；微处理器包括已有的温度控制模块、室内外环境数据读取模块、热舒适度PMV计算模块、供电中断周期设定模块、周期起始时间设定模块、室外机供电占空比计算模块，室外机供电占空比计算模块的输出连接供电占空比控制器。本发明从控制室内的气流、气温、气湿组合使空调运行在舒适性、节能性和健康性的平衡点上，提供一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置。

Description

具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置

(一)技术领域

本发明属于计算机控制技术、空调节能技术、电子技术以及通信技术在空调控制上的应用，尤其是一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置。

(二)背景技术

近年来由于电力短缺，城市饱尝严重的电网掉电之苦。能源的耗尽影响着周围能源价格更高、而问题继续恶化的各个省，特别是沿海经济比较发达地区的企业正饱受着能源之苦，在电力短缺的时候，企业每周只能运行3到4天。制造业的发展再加上越来越多的人口使用空调，这双重因素促进了能源消费快速地增长，使能源问题变成了全国性乃至全球性的问题。目前我国的能源使用效率只是发达国家的1/3，大量的能源作为无用功被消耗着。能源问题已经成为制约我国经济发展的重大瓶颈。随着生活水平的提高越来越多的空调使用也正加剧着用电高峰时电力短缺的矛盾。由于空调用电的季节性、时段性和爆发性，有些电力专家将其称作是影响安全供电的“电网杀手”。

小空调已成为用电大户，对每户居民来说，这不是个大数字，但算算全国的空调，数字就大得惊人。中国制冷空调行业协会的统计数据表明，2003年我国每百户家庭空调装机量为61.79台，全国城市家庭约为1.2亿个，城市住宅房间空调拥有量为7400万台，空调电力需求约为7500万千瓦，约为2003年全国发电能力的20％左右。再加***空调的用电负荷，总计有12500万千瓦，占全国装机功率的33％。统计数据表明，华东电网2004年夏季高峰负荷中，空调降温负荷的比例已超过30％，北京、上海已超过40％，香港达到了60％。按每年静增1700万套空调计算，我国在2005年现在城市住宅房间空调拥有量将超过1亿台，如果假设每台空调每年使用的时间为500小时左右话，那么1亿台套空调平均每套1000瓦耗电量来保守计算，就家庭空调这一项就将消耗500*1*1000-＝1000亿度电。由于空调用电的季节性、时段性和爆发性，加上空调负荷接近和超过整个电网负荷40％成为季节性的用电大户，而目前使用的调频空调又在用电高峰时增加了能耗，因此需要在空调的控制器中有一种技术来平缓用电高峰，这对电网安全非常重要。

近年来，20几个省市出现了电荒，有些地方甚至未到夏季就出现了拉闸限电措施，2005年提出了26℃空调节能活动，也有些部门通过行政手段来限制室内温度，这种限制室内温度的做法对缓解电力供求矛盾起到了一定作用，但是在做法上并不科学。尽管26℃是大多数人认为的热舒适温度，但它是有前提的，从热舒适角度、节能的角度、健康的角度、区域环境的角度来看要尽可能地同时满足4个环境因素(温度、相对湿度、周围表明平均辐射温度和室内微风速)和2个个人因素(活动量、衣着情况)，这不是用一个简单的行政手段就能解决的问题，需要法律的、行政的、科技的手段共同来解决的问题。

在气象环境方面，我国地域辽阔，各地区地理位置不同，受日照等环境影响，环境中的气温、相对湿度在一年中都有一个当地气候变化规律，同样还有日变化规律，一天中的气温升高或下降称气温日变化。最高气温出现时间的季节变化是很小的，一般夏天迟些，冬天早些，一般相差半个小时。但是最低气温的出现时间却随季节而变化较大，这主要是因为日出时间有显著季节变化，以哈尔滨为例，最低气温出现时间明显地从冬到夏提前，由夏向冬延后。日出最早的6月份不迟于5时出现最低气温，面日出最迟的12月则不早于7时出现最低气温，冬夏相差可达2小时以上。一日中最市气温一般在午后13至15时出现，面最低气温则在日出前5至6时出现。气温日变化用气温日较差表示。即一天中气温最高值与最低值之差称“气温日较差“。我国气温日较差小的地方是在岛屿和沿海地区。进入大陆日较差迅速增大，南方因气候湿润气温日较差小，西起四川盆地，东到长江两岸年平均日较差了只有8℃左右；越过秦岭淮河气候变干，年平均日较差就增大到10℃以上。华北平原、东北的南部大都在10至12℃之内，东北西南部和内蒙气候更加干燥，日较差普遍在12至14℃以上。西北地区除山区外盆地中一般都超过14℃。同样湿度的差异，必然会影响到人体的热感觉、热舒适。空调最基本的作用是调节局部环境中的气温，使人们感到热舒适。而目前对空调的控制与使用方面并没有将这些环境因素考虑进去。同时长期生活在某个地区的人群在热感觉上也有差别。

在人的健康和热舒适方面，室内温度过高时，会影响人的体温调节功能，由于散热不良而引起体温升高、血管舒张、脉搏加快、心率加速。冬季，如果室内温度经常保持在25℃以上，人就会神疲力乏、头晕脑涨、思维迟钝、记忆力差。同时，由于室内外温差悬殊，人体难以适应，容易患伤风感冒。如果室内温度过低，则会使人体代谢功能下降，脉搏、呼吸减慢，皮下血管收缩，皮肤过度紧张，呼吸道粘膜的抵抗力减弱，容易诱发呼吸道疾病。因此，一般把人对“冷耐受”的下限温度和“热耐受”的上限温度，分别定为11℃和32℃。夏天，室内湿度过大时，会抑制人体散热，使人感到十分闷热、烦躁。冬天，室内湿度大时，则会加速热传导，使人觉得阴冷、抑郁。室内湿度过低时，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人会感到口干、舌燥，甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血等，并易患感冒。因此，相对湿度上限值不应超过80％，下限值不应低于30％。

传统的祖国医学把“风、寒、暑、湿、燥、火”称为六气，实际上，这六气也就是空气流动，气温高低，湿度大小的反映，当六气发生骤变或在人体抵抗力下降超过适应能力时，六气就能成为导致生病的因素。世间万物皆有“度”，过“度”则会走向反面。空调的诞生给我们的生产、生活带来了许多方便，由于过“度”又带来了诸如急性传染病、过敏性疾病以及“病态建筑物综合症”等意想不到的负面影响。这主要原因是目前的空调***的作用点是室内的空气，虽然室内空气的温度是影响人的热舒适的一个重要指标，但是在不同的环境条件以及个人因素情况下，仅仅将室内空气温度的调节作为空调***的作用点是不科学的。因此从健康角度来考虑在新型空调控制策略上必须能控制“度”，让空调控制器帮助人自动地把握好这个“度”，根据外界环境与居家的温、湿度的变化，使各种环境温湿度调节装置运行在舒适、健康、节能的综合最优状态。

在热感觉方面，对我国南方等地不同人群在夏季非空调环境下的热感觉的调查结果发现，该地区的人群对高温有较高的承受能力，实测热感觉值低于平均预测投票(PMV)计算值，不使用空调的人群对热的耐受力要比经常使用空调的人群高。人群可接受的环境温度高达30.7℃，可以适当提高空调运行温度，由此带来的节能效应也是不容忽视的。

在目前空调的运行方面，空调***的运行和调节过程中辐射与风速的空调作用和节能效果还没有引起足够的重视。产生了空调该冷不冷、该热不热的弊端。

传统的空调***控制方法之所以不能够满足热舒适的要求，最根本的原因在于空调***的作用点是室内的空气而不是人体的热舒适感。在实际中所表现出来的弊端主要体现在以下几个方面：1)不直接、不迅速；2)不舒适；3)不节能。因为以空气温度为作用点，不仅风速与平均辐射温度不受空调控制***的控制，而且对空气状态(温度、湿度)的控制也不受人体热舒适对这些因素之间关系的限制。

要实现空调***热舒适指标控制的舒适性、健康性与节能性的统一，必须从空调的工作方式与作用点上入手。比较科学的做法是：1)限制室内外温差在8℃之内，根据气象预报的最高气温调整室温设定值，根据相对湿度情况调整去湿功能，根据日气温的变化规律自动调整室内温度设定值；2)空气比较潮湿的地区(我国的南方地区)自动加除湿功能，而空气比较干燥的地区(我国的北方地区)主要使用制冷功能；3)热舒适是与生理学相联系的对环境满意程度的一种意识状态，只要所采用的节电方法对人的热舒适度的感觉没有太大影响，是极大多数人可以接受的；4)长期使用空调会降低人体对热的耐受力，特别目前人们使用空调缺乏科学，单纯追求“热舒适”结果牺牲了健康，因此对空调的控制不是原来的恒温控制而是用人体热感觉的数学模型来进行控制，最终达到在满足不同人群在不同地区、不同气候条件的热舒适情况下，节约用电的同时又不会出现目前常见的空调病；5)保持室内空气的新鲜和流动，空调的过滤网的清洁水平与节电和空调使用者的健康都有着密切的联系，保持空调过滤网的经常性的清洁有利于节能和健康；6)由于空调用电的季节性、时段性和爆发性，也必须要用一种科技手段来缓和由于气候原因突发的空调用电高峰。

在人体新陈代谢率与服装热阻一定的情况下，通过同时控制四个热湿环境参数，空气温度、湿度、风速与平均辐射温度，在保持热舒适指标值处于某一范围之内的情况下使得空调***的能耗最小。热舒适指标是对热湿环境各构成因素与人体热舒适感的关系的研究成果，它将构成热湿环境的各元素与人体的热舒适感用固定的计算公式或计算方法相关联。平均预测投票(PMV)关联了所有六个影响人体热舒适的因素与人体热感觉之间的关系，可以认为是对人体热感觉的近似模拟。人的热舒适感并不单纯受气温或气湿或风速三种因素的影响，而是三者综合作用的结果。通过实验测定，最宜人的室内温湿度是：冬天温度为18至25℃，湿度为30％至80％；夏天温度为23至28℃，湿度为30％至60％。在此范围内感到舒适的人占95％以上。在冬季对风速的限制，在夏季通过提高室内温度设定值发挥风速的空调作用实现空调***的节能。

热舒适指标控制可以实现空调***作用点由室内空气到人的转移，同时还能极大地发挥现有空调***的节能潜力。对现有室内环境参数标准的分析发现，现有空调标准不仅在很多时候不能满足室内人体热舒适的要求，而且忽略了空调***的节能潜力。

在加热工况下，室内温度每降低1℃可节能5-10％；在冷却工况下，每升高I℃可节能10-20％。因此在空调***中引入热舒适指标控制，对于***的节能具有重要意义。目前火力发电每发1度电排放二氧化碳0.8-2.5公斤，在国际碳素市场上每吨二氧化碳减排配额的价格约为4美元，节约一度电，就相当于节约0.4公斤标准煤和4升的净水，还可减少大约0.27公斤的粉尘、0.8-2.5公斤的二氧化碳和0.037公斤的二氧化硫等排放。通过采用科学方法使用空调来达到节约用电不仅能为社会节约大量宝贵的能源，同时也大大减轻了环境的压力，意义重大。

本发明作出以前对空调的控制主要是通过设置在空调内部的温度传感器来检测室内的温度与所设定的温度相比较来控制空调的室外机的动作使得室内温度与所设定的温度趋于一致，如图1所示，这种控制方式由于采用了单一的温度作为控制作用点，就不可避免的产生出空调该冷不冷、该热不热、不节能等许多弊端，使得许多空调使用者难以正确、合理、科学地使用空调。特别是当室内外温差超过10℃情况下，人体会感到不舒服，容易患上各种空调病，同时也浪费了大量的电能。因此根据各个空调用户的环境因素和个人因素，将目前的调温空调改造成舒适空调、节能空调、健康空调是本专利的重要课题。

(三)发明内容

为了克服已有的空调控制装置停留在简单温度控制、舒适性差、不节能、使用者容易患上空调病的不足，本发明从控制室内的气流、气温、气湿组合使空调运行在舒适性、节能性和健康性的平衡点上，提供一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，所述的控制装置包括微处理器、用于检测室内温度的室内温度传感器、用于检测室内湿度的湿度传感器、室外机启动电路，所述的微处理器包括温度控制模块，所述的温度控制模块包括温度设置单元、温度比较单元，所述的室内温度传感器、温度设置单元的输出连接温度比较单元，所述的温度比较单元的输出连接室外机启动电路，所述的空调控制装置还包括用于检测室外温度的室外温度数据采集器、用于设定室外机供电电源占空比的占空比控制器以及用于存储热舒适度PMV与温度、湿度的对应序列以及热舒适度与占空比的对应序列的存储模块；所述的微处理器还包括：室内外环境数据读取模块，用于读取室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；热舒适度PMV计算模块，用于根据室内的温度值、湿度值、室内机的风速，将所述的室内机的风速折算成当量温度T_a，依照热舒适度与当量温度、湿度的对应序列，计算得到热舒适度PMV；供电中断周期设定模块，用于设定室外机的占空比供电周期；周期起始时间设定模块，用于随机设定当前室外机供电电源的占空比供电周期的起始时间；室外机供电占空比计算模块，用于根据上述得到的热舒适度，依照热舒适度与占空比的对应序列，计算得到室外机供电占空比；所述的室外机供电占空比计算模块的输出连接供电占空比控制器。

进一步，所述的舒适度PMV与占空比的对应序列用下式(1)表示：

$\mathrm{rate}(\%)=\frac{t_{\mathrm{off}}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}*100=f_1\left(\mathrm{PMV}\right)\mathrm{where},T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}}\≥8,\mathrm{rate}(\%)=85...\left(1\right)$

其中，f₁表示了热舒适度与中断占空比输出的函数关系，PMV值是通过室内的温度、湿度和风力情况计算得到的PMV值，当PMV值接近0时或者在室内外温差相差超过8度时，占空比为85；t_on为一个供电中断周期中“开”的状态延续时间；t_off为一个供电中断周期中“关”的状态延续时间。

再进一步，所述的当量温度T_a的计算方法，其算式为(2)、(3)；

ΔT＝6*(v-0.25)-(v-0.25)²      (2)

T_a＝T_in-measure-ΔT            (3)

其中，v为室内机的风速数值，单位是米/秒，ΔT为可允许增量，T_a为当量温度，T_in-measure为目前的室内温度值。

更进一步，所述的微处理器还包括节电率测量模块，用于根据室外机供电电源的供电情况、温度控制模块供电情况计算得到节电率，其算式为(4)、(5)：

$T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}\left(\begin{array}{cc}\mathrm{when}& t_{\mathrm{off}}\end{array}\right)...\left(4\right);$

$\mathrm{Arate}(\%)=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}-T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}}{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{on}}+\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}}*100...\left(5\right);$

其中，∑t_TC-off为一个供电中断周期中由于温度控制模块所产生的“关”的状态延续时间总和，t_off为一个供电中断周期中温度控制模块的“关”的状态时间；∑t_off表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“关”的状态延续时间，∑t_on表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“开”的状态延续时间，T_two-off表示在一个周期中，供电切断和温控起作用不通电同时发生的累计时间。

所述的室外机启动电路是用继电器或可控硅控制室外机的“开/关”动作的电路。

所述的室外机供电占空比计算模块通过插值查表法计算得到室外机供电占空比。

或者是，所述的室外机供电占空比计算模块通过控制算法计算得到室外机供电占空比，所述的控制算法由式(6)表示：

其中，M＝{m₁，m₂，m₃}来表示上述三项指标的集合，其中m₁为热舒适度指标，用PMV数值表示，在夏季时其范围控制在0至1之间人体感到舒适，越趋向0舒适度越高；m₂为实际节电率指标；m₃为健康指标，室内外温差维持在8℃范围内，室内相对湿度维持在50％左右，风速在1m/s左右；所述的m₁，m₂，m₃由一组适当定义的模糊集来表征，其隶属函数为：μ_mj(u) u∈U；j＝1，2，3；

空调***的模糊目标空间可表示为：

$M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)|u\∈U,j=\mathrm{1,2,3}\}...\left(7\right)$

所述的控制算法中，对于夏季空调有几个约束条件，1)节能约束条件：供电中断占空比最小不低于15％；2)健康约束条件：室内外温差不超过8℃，上限温度为32℃。相对湿度上限值不应超过80％，下限值不应低于30％；3)舒适度约束条件：PMV的范围0至1之间；将上述约束条件用数学公式g_j(u)来表达为：

节能约束条件：g₁(u)＝15-rate(％)≤0

健康约束条件：g₂(u)＝temperature_door-out-temperature_door-in-8≤0

              g₃(u)＝temperature_door-in-32≤0

              g₄(u)＝humidity_door-in-80≤0

舒适度约束条件：g₅(u)＝PMV-1≤0

空调控制器的输入空间可以用式(8)来表示：

U＝{μ|g_k(u)≤0，k＝1，2，3，u∈R³}   (8)

由上式(7)、(8)以及约束条件，得到空调控制模糊多目标满意优化模型，用(9)来表示：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\μ}=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\\ s.t.g_1\left(u\right)=15-\mathrm{rate}(\%)\≤0\\ g_2\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{out}}-{\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-8\≤0\\ g_3\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-32\≤0\\ g_4\left(u\right)={\mathrm{hrmidity}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-80\≤0\\ g_5\left(u\right)=\mathrm{PMV}-1\≤0\end{array}\right\}...\left(9\right)$

采用加性加权法来表示满意优化价值函数，计算公式由式(10)表示

${\mathrm{\μ}}_{c_0}\left(u_j\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{m_i}\left(u_j\right)*w_i...\left(10\right)$

上式中w₁是热舒适性权重，w₂是节能性权重，w₃是健康性权重，

空调控制的单步预测模型为：

式中：x(k)∈X为***的状态变量；y(k)∈Y为***输出，这里主要是供电中断占空比、温度控制以及风扇电机转速；u(k)∈{u₁，u₂，u₃}为空调控制器输入；映射f：X×U→X；映射F：X→Y；о为复合映射算子；

在 $M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\}$ 时，输出y(k+1)对所有目标的满意程度由式(12)表示：

μ_m(y(k+1))＝μ_m( Fοf(x(k)，u(k)))        (12)

式(12)中μ_m(y(k+1))是k时刻***过程状态为x(k)时控制u(k)对所有目标M(舒适性、节能性、健康性)的满意度；

由M导出的满意解集C₀(k)∈U是控制空间U上的模糊集，其对目标M的满意度可以用隶属函数式(13)来表示，

与式(12)所表示的价值函数相应的满意度由式(14)表示

空调的室外机的供电占空比由式(14)表示：

所述的微处理器包括温度控制部分、空调附加控制部分，所述的温度控制部分是温度控制模块；所述的空调附加控制部分包括室内外环境数据读取模块、热舒适度PMV计算模块、供电中断周期设定模块、周期起始时间设定模块、室外机供电占空比计算模块、节电率测量模块。在原有的温度控制模块的基础上增加了附加控制部分。

所述的空调终端为多个，所述的室内外环境数据读取模块读取各个空调终端的室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；所述的室外机供电占空比计算模块的输出连接各个空调终端的供电占空比控制器。

本发明的工作原理为：用PMV数值来度量舒适性；用实际节电率来度量节能性；用室内外温差、室内相对湿度、风速等范围指标来度量健康性，主要体现在：

(1)、在预测人体热舒适感方面，本发明中利用了许多研究成果并根据我国的气候情况做了一些修正，这方面Gagge、Fanger等人做了许多研究工作，最著名的是提出了平均预测投票(PMV)来对热环境进行评价，得到了人体热负荷与PMV之间的关系。式(16)为人体的静态热舒适方程

M-W＝Q_sk+Q_res+S＝(C+R+E_sk)+(C_res+E_res)+S     式(16)

式中，M：人体新陈代谢率；W：人体所完成的机械功；Q_sk：呼吸的总散热量；Q_res：通过皮肤的总散热量；S：人体的蓄热率；C：人体体表与环境的辐射换热；R：人体体表与环境的对流换热；E_sk：通过皮肤的蒸发散热量；C_res：呼吸对流散热量；E_res：呼吸蒸发散热量。单位：W/m²。

PMV指标是建立的静态热舒适方程上，利用统计学的方法将热感觉指标与所定义的人体热负荷相关联而得到的，可用于对热环境进行评价的热舒适指标。静态热舒适方程是PMV指标的基础，可由式(16)经以下两个条件来简化：1)人体与环境间的热交换达到平衡，即式1中S项为零；2)人体表面温度与人体实际的出汗蒸发热损失(或人体的出汗量)应该保持在一个较小的范围内，并且都是新陈代谢率的函数，由式(18)给出。经过对许多受试者在不同活动量下感到热舒适时，测得的皮肤温度与出汗蒸发热损失作线性回归由式(18)给出。

a＜t_msk＜b；c＜E_rsw＜d     式(17)

t_msk＝35.7-0.0275(M-W)；E_rsw＝0.42(M-W-58.15)   式(18)

式中，t_msk：人体皮肤平均温度，单位为℃；E_rsw：人体热调节出汗蒸发热损失，单位为W/m²。

PMV是根据热感觉指标来预测大多数人的平均反应的热舒适指标。Fanger利用统计学的手段得到了人体热负荷与PMV之间的关系，由式(19)给出。

PMV＝[0.303exp(-0.036M)+0.028]L        式(19)

式中人体热负荷L(W/m2)被定义为人体内部产生的热量(M-W)，与假定皮肤温度与出汗蒸发热损失保持在相应新陈代谢率所对应的舒适值时(式3的计算结果)，人体向环境所散失热量的差值。

实验结果表明，上述PMV指标在常见典型室内气候条件下，PMV的预测结果与实验结果不存在很大的差别。问题是：1)在高湿度时，PMV不能很好地预测人体舒适感；2)PMV不能用于在高风速下对人体热感觉的预测。该指标是用来描述人体的静态热舒适，由于真实环境中人体的热舒适具有动态特性，因此有必要根据实际应用环境对上述指标进行修正。对于湿度较低的气候环境(我国的北方地区，RH＜5Q％)，运用式(18)的模型来进行评价，而对于湿度较高的气候环境(我国的南方地区，RH平均68％)，则对式(18)的评价模型要进行修正。

另外在夏季中，根据上述模型气流应该在空调***中发挥更加重要的作用；而在冬季则应严格受到控制。气流是一种最廉价的空调方式，如果在提高气流速度的同时提高室内空气温度，这不仅有利于***的节能还可以大大改善室内空气品质。许多研究和实验结果已经表明在温度较高时，风速达到1m/s以上时人体仍然感到舒适。为了降低成本和简化控制算法，在本专利中采用了根据季节设定室内风扇电机的转速，使问题得到简化。具体做法是，在夏季在风机噪声不超过噪声规定范围情况下尽可能提高风机的转速，一般情况下可以达到1至1.4m/s，而在冬季则要限制风机的转速在0.5m/s以下。

在本发明中采用以PMV作为被控参数后，空调的热舒适性控制就成为了一个非线性控制模型。为了简化问题，本专利根据4个室内环境参数中的3个来确定另外一个参数的设定值。在这种控制方式中热舒适指标并不是直接的被控参数，而是选择某一个环境变量作为直接受到控制的参数。其他非被控环境参数与人体的新陈代谢率以及服装热阻作为确定被控变量设定值的依据，也就是根据PMV的指标实时地确定各环境变量的设定值。

理论上分析对4个环境变量来说，每一个变量都存在作为被控参数的可能。但是在实际应用中要根据空调***与环境的特点来选定被控参数。本发明提出的空调热舒适控制策略是：在保留原有的温度控制***基础上，根据室内风速、平均辐射温度、室内外的温度以及空气湿度动态地设定供电中断占空比，如图2所示；这种控制策略优点是可以在原有空调控制***的基础上增加PMV的控制，原有空调控制***主要实现恒温控制，PMV的控制主要实现节电性、舒适性、健康性等方面的监控和调节作用。在这种控制策略中，由于原有的空调温度控制是小闭环，而PMV的控制处于外闭环，因此恒温控制要服从PMV的控制，这种外闭环结合小闭环控制有互补的作用，具有***可靠性高、稳定性好，容易实现并能方便地对现有空调进行技术改造。

上述的空调热舒适控制策略从理论上分析实现起来相对比较容易，在实际使用上就必须对每个环境变量进行测量。但是实际上平均辐射温度和风速的测量往往比较困难，而且所用的传感器也比较昂贵。本专利中采用一些简化的方法来避免对风速、平均辐射温度甚至湿度的直接测量，将平均辐射温度等于空气温度，风速与风机的转速相对应，用气象数据或者当地的气温、湿度年变化规律和日变化规律来替代实际的当时外界环境的温湿度测量。

(2)、在节能性方面，目前空调***中70％以上的能源消耗发生在空调***制冷主机，采用中断技术将空调***制冷主机周期性暂停用电，比如将制冷主机每小时累计停机控制在10到50分钟之间，在维持室内环境舒适度情况下，送风扇继续运转，达到节省空调冷气用电的目的。

(3)、从健康角度考虑，本专利中将室内外的温差控制在8℃以内，采用了根据室外的温度动态地调整室内温度的方法，控制在这样一个温差下，无论人从炎热的室外进入舒适的室内，还是从舒适的室内到炎热的室外，都能很快调整适应，避免了由于室内外温差过大而造成人出现头晕、易倦、全身不适及免疫功能下降等不适反应；在本专利中在供电中断方式上在室内、外温差超过8℃时用非常大的供电中断率(85％)来维持室外机的运行，主要是维持室内的除湿功能以及维持室内温度。

本发明的有益效果主要表现在：1、空调控制装置能够根据室内的气流、气温、气湿计算舒适度值，进而得到控制室外机供电的占空比，能够使使用者具有良好的舒适度；2、通过占空比调节室外机的供电电源，具有良好的节能性；3、根据室外的温度动态地调整室内温度，维持室内的除湿功能以及维持室内温度，避免了由于室内外温差过大而造成人出现头晕、易倦、全身不适及免疫功能下降等不适反应。

(四)附图说明

图1是现有的空调以室温为作用点的温控原理图。

图2是以人的热舒适为控制策略的空调控制原理图。

图3是在三种不同的相对湿度情况下PMV或Disc随环境温度变化曲线图。

图4是某一地区夏季中某一天内的气温变化曲线图。

图5是PMV控制器控制空调致热时的原理图。

图6是PMV控制器控制空调致冷时的原理图。

图7是供电中断占空比控制时实际节电率的计算示意图。

图8是PMV值与占空比的控制曲线图。

图9为控制装置的原理框图。

图10是用PMV值来控制供电中断占空比控制示意图。

图11为一种计算机集中控制若干台空调的室外制冷主机的供电中断占空比的控制框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10，一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，所述的控制装置包括微处理器3、用于检测室内温度、湿度的室内温、湿度传感器1、室外机启动电路，所述的微处理器3包括温度控制模块34，所述的温度控制模块34包括温度设置单元、温度比较单元，所述的室内温度传感器、温度设置单元的输出连接温度比较单元，所述的温度比较单元的输出连接室外机启动电路，所述的空调控制装置还包括用于检测室外温度的室外温度数据采集器5、用于设定室外机供电电源占空比的占空比控制器20以及用于存储热舒适度PMV与温度、湿度的对应序列以及热舒适度与占空比的对应序列的存储模块；所述的微处理器3还包括：室内外环境数据读取模块6，用于读取室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；热舒适度PMV计算模块10，用于根据室内的温度值、湿度值、室内机的风速，将所述的室内机的风速折算成当量温度T_a，依照热舒适度与当量温度、湿度的对应序列，计算得到热舒适度PMV；供电中断周期设定模块12，用于设定室外机的占空比供电周期；周期起始时间设定模块12，用于随机设定当前室外机供电电源的占空比供电周期的起始时间；室外机供电占空比计算模块13，用于根据上述得到的热舒适度，依照热舒适度与占空比的对应序列，计算得到室外机供电占空比；所述的室外机供电占空比计算模块13的输出连接供电占空比控制器20。

所述的舒适度PMV与占空比的对应序列用下式(1)表示：

$\mathrm{rate}(\%)=\frac{t_{\mathrm{off}}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}*100=f_1\left(\mathrm{PMV}\right)\mathrm{where},T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}}\≥8,\mathrm{rate}(\%)=85...\left(1\right)$

其中，f₁表示了热舒适度与中断占空比输出的函数关系，PMV值是通过室内的温度、湿度和风力情况计算得到的PMV值，当PMV值接近0时或者在室内外温差相差超过8度时，占空比为85；t_on为一个供电中断周期中“开”的状态延续时间；t_off为一个供电中断周期中“关”的状态延续时间。

所述的当量温度T_a的计算方法，其算式为(2)、(3)；

ΔT＝6*(v-0.25)-(v-0.25)²       (2)

T_a＝T_in-measure-ΔT             (3)

其中，v为室内机的风速，单位是米/秒；ΔT为可允许增量，T_a为当量温度，T_in-measure为目前的室内温度值。

所述的微处理器3还包括节电率测量模块15，用于根据室外机供电电源的供电情况、温度控制模块供电情况计算得到节电率，其算式为(4)、(5)：

$T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}\left(\begin{array}{cc}\mathrm{when}& t_{\mathrm{off}}\end{array}\right)...\left(4\right);$

$\mathrm{Arate}(\%)=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}-T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}}{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{on}}+\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}}*100...\left(5\right);$

其中，∑t_TC-off为一个供电中断周期中由于温度控制模块所产生的“关”的状态延续时间总和，t_off为一个供电中断周期中温度控制模块的“关”的状态时间；∑t_off表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“关”的状态延续时间，∑t_on表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“开”的状态延续时间，T_two-off表示在一个周期中，供电切断和温控起作用不通电同时发生的累计时间。

所述的室外机供电占空比计算模块13通过插值查表法计算得到室外机供电占空比。所述的室外机启动电路是用继电器或可控硅控制室外机的“开/关”动作的电路。所述的微处理器包括温度控制部分、空调附加控制部分，所述的温度控制部分是温度控制模块；所述的空调附加控制部分包括室内外环境数据读取模块、热舒适度PMV计算模块、供电中断周期设定模块、周期起始时间设定模块、室外机供电占空比计算模块、节电率测量模块。

本实施例的工作过程为：

第一、室外温度的测量

占空比的计算式(1)、以及在控制算法式(6)中需要得到室外的温度值，所述室外温度的测量，1)可以增加一个安装在室外遮阴处的室外温度数据采集器5，所述的采集器5为温度传感器，在图9中的室外温度传感器通过A/D转换器2将室外温度转换成数据发送给室内外环境数据读取模块6。这种方式虽然比较简单但会增加成本；2)利用在室外机组中的温度传感器，在图9中的室外温度传感器5通过A/D转换器2将室外温度转换成数据发送给室内外环境数据读取模块6。由于在刚开机时，室外机组中的温度传感器可以作为检测当时室外温度，得到开机当时的室外温度之后，然后利用该地区的日气温变化规律推测某一时间的室外温度，图4所示的地区的日气温变化规律是根据当地的历年来气温变化规律以数据的方式存储在气象数据存储模块7中。对于推测和估算方法，比如7月1日早上8:20进办公室，打开空调，这时检测到空调室外机组中的温度是26℃，就估计室外的温度为26℃，随着时间的推移，室外温度会发生变化，图4表示了某个地区在夏季中一天的气温变化曲线，根据该曲线推测下午2时的室外气温为35℃，推测和估算的运算是在室外环境温湿度推测模块9中进行的；3)利用空调中室内的温度传感器，将启动空调时的室内温度作为目前室外的温度(条件是要检测空调运行停止时间是否超过1个小时)，然后根据该城市、该季节每天的室外温度的变化规律去估算室外的温度，推测和估算方法与上述2)相同；4)利用气象数据，然后根据该地区的日气温变化规律得到当时的室外温度，这是一种不通过室内外温度传感器非直接地取得室外温度的方式，该方式对办公大楼中的空调集中控制是有效的。

第二、室内当量温度计算

在本专利中将风速的因素折算成当量温度，比如说目前的室温为30℃、相对湿度为50％通过曲线关系可以得到目前室内环境的PMV值为1.05，该值已经超过人的热舒适范围，但是如果这是室内的风速为1至1.4m/s的话，实际的PMV值为0.9处在热舒适范围内，所述的当量温度T_a的计算方法，其算式为(2)、(3)；

ΔT＝6*(v-0.25)-(v-0.25)²     (2)

T_a＝T_in-measure-ΔT            (3)

其中，v为室内机的风速数值，单位是米/秒，ΔT为可允许增量，T_a为当量温度，T_in-measure为目前的室内温度值。

从式(2)、(3)可以知道，要从测量到的温度值然后根据风速情况计算当量温度。

第三、PMV数据的计算

对夏季空调来说，PMV值在0至1范围内被认为是热舒适范围，图3是温湿度与PMV值关系曲线图，实线部分是不考虑湿度情况时温度与PMV值的关系，三条虚线是在不同的湿度(20％、50％、80％)情况下温度与PMV值的关系，从这三条曲线可以看到湿度对人的热舒适影响很大，而且在相对湿度为50％左右时，即使室内温度接近30℃时还处在热舒适范围，同时从健康角度来说的话，相对湿度为50％左右时细菌的存活时间最短，因此对我国南方地区来说降低室内湿度对节能和健康都是非常有利的

通过上述的当量温度与室内的湿度用查表插值的方法得到PMV值。

第四、占空比的计算

有了上述的PMV值通过图8所示的PMV值与中断占空比的曲线关系，查表插值计算得到输出的中断占空比来控制继电器Rx1的“开/关”，以期达到室内环境满足热舒适条件。

图5为空调在致热情况时节电控制与节电率控制测量装置的***构成原理图。在图5中，节电控制装置24对电加热装置23进行节电控制。并且，根据节电率测量装置25来测量实际的节电率。电加热装置23由加热器23a和该加热器23a串接的恒温器23b构成，电源AC220v向包含恒温器23b的电暖气机23提供电能，由节电控制装置24对其进行控制。在图5中，电暖气机23和由节电控制装置24的PMV控制单元24a所控制的RX1继电器24b的接点与RX1继电器的另一个接点24c进行串接，因此加热器23a和恒温器23b通过RX1继电器接点24c连接起来形成供电回路。RX1继电器的接点24c为常闭接点，在节电控制装置24没有进行节电控制的时都处在常闭状态，在状况时始终保持向电加热装置23供电，加热器23a根据恒温器23b的动作进行“开/关”控制。恒温器23b当检测到室内温度在所设定温度以下的时其接点合上，超越所设定温度的时接点断开。所述的节电控制装置24的节电控制是对电加热装置23进行强制的周期性的中断供电方式来实现的。这里，节电控制装置24进行节电控制，是由占空比控制器24a对RX1继电器24b进行“开/关”控制，这样在RX1继电器接点24c上也就会产生相应的“开/关”状态。即，当RX1继电器24b处于“关”的状态时，电力供应到电加热装置23也就处在切断电源的状态。在切断电源时，加热器23a必定处在无供电的状态。

所述的节电控制装置24中装有微电脑，按照事前所设定的中断占空比，对RX1继电器24b进行周期性的“开/关”控制。譬如，将一个小时划分为4个“开/关”周期，如果在每个“开/关”周期中的“关”的时间延续为3分钟的话，也就是说通过RX1继电器24b进行12分钟“开”的状态后再进行3分钟“关”的状态，从理论上来说该控制方式的节电率为20％。节电率的计算公式由式(5)表示；

$\mathrm{rate}(\%)=\frac{t_{\mathrm{off}}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}*100...\left(1\right)$

式中：t_on为一个周期中“开”的状态延续时间；t_off为一个周期中“关”的状态延续时间。

但是上述得到的节电率仅仅是考虑了由RX1继电器24b进行周期性的“开/关”控制所产生的节电效果。实际上，上述的恒温器23b也同样会对加热器23a进行“开/关”动作以达到控制室内的温度，本发明中为了将恒温器的温控动作与中断占空比所产生的供电中断工作的作用区分开来，这里再总结一下所谓供电中断控制是通过RX1继电器24b的“开/关”动作来决定对空调制冷(加热)设备是否提供电力，所谓通电控制是原有空调的温控***的作用来决定空调制冷(加热)设备通电与否。这里引入温度控制动作率的概念，用图7下面一个温控动作序列图来进行说明，高电平表示加热器23a处在通电状况，低电平表示温控装置起作用加热器23a处在不通电状况，温度控制动作率的计算公式由式(20)表示；

$\mathrm{TCrate}(\%)=\frac{\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}}{\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{on}}+\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}}*100...\left(20\right)$

式中：∑t_TC-off为一个时间周期中“关”的状态延续时间总和；∑t_TC-on为一个时间周期中“开”的状态延续时间总和。

影响温度控制动作率的因素主要有当前的外界温度、当前的室内温度、温度控制器所设定的温度、空调的功率大小以及室内空间影响热交换的一些环境因素。在这些因素中人能够进行直接干预的是温度控制器所设定的温度，也就是通常在使用空调时通过遥控器或者空调面板来设定的温度值，该设定的温度值能间接反映空调使用者所期待的热舒适环境。

对于空调制冷情况时，考虑的实现的方法与上述空调致热情况类同，这里节电的对象是空调的制冷部分，空调在制冷工作状态时制冷压缩机约消耗整个空调中70％以上的电能，所以对空调的室外机(压缩机)27进行供电中断节电控制具有相当好的节能效果。图6为对空调制冷采用供电中断节电控制的原理图。空调由空调的室内机26和空调的室外机27所构成。空调的室内机26主要由空调的控制单元26a、室内风扇26b、温度传感器26c、Bx2继电器26d和Bx2继电器接点26e等构成，空调的控制单元26a根据所连接的温度传感器26c的检测进行温度控制，通过Bx2继电器26d对Bx2继电器接点26e连接的空调室外机27进行“开/关”控制。同时使用节电控制装置28对空调的室外机27进行供电中断节电控制。通过节电率测量装置29来测量和计算供电中断率、温度控制动作率以及实际节电率，计算方法与上述式(1)、式(15)、式(4)以及式(5)完全一样。只是在硬件方面有所变化，这里对上述的致热空调中的一些部分进行替换，将电加热装置23替换为空调室外机27，节电控制装置24替换为节电控制装置28，节电率测量装置25替换为节电率测量装置29，恒温器23b替换为空调控制器26a所控制的Bx3继电器26d以及Bx3继电器接点26e，同时将占空比控制器24a、RX1继电器24b、RX1继电器接点24c、节电率测量单元25a、AX1继电器25c、AX1继电器接点25e、BX1继电器25b、BX1继电器接点25d用占空比控制器28a、RX2继电器28b、RX2继电器接点28c、节电率测量单元29a、AX2继电器29c、AX2继电器接点29e、BX2继电器29b、BX2继电器接点29d来进行替换，其作用与效果与空调致热情况时相同。

对于制冷空调来讲，风速是影响人的热舒适性的一个重要指标，同时气流也是一种最廉价的空调手段。如果在提高气流速度的同时提高室内空气温度，这不仅有利于***的节能还可以大大改善室内空气品质。许多研究和实验结果已经表明在温度较高时，风速达到1m/s以上时人体仍然感到舒适。由于测量风速需要有风速传感器，这就会造成增加成本，因为风机的转速是与风速成一种比例关系，为了降低成本和简化控制算法，在本专利中采用了根据季节设定室内风扇电机的转速，使问题得到简化。在图9中配置有室内机风速设定模块14，该模块主要是在从***取得季节信息后，如果判断为是在夏季，在风机噪声不超过噪声规定范围情况下尽可能提高风机的转速，一般情况下所设定风速可以达到1至1.4m/s，如果判断为是在冬季，通过该模块限制风机的转速将风速控制在0.5m/s以下，换句话说，一旦从***时间得到季节信息后，气流就作为一个不变量，使得PMV控制模型得到简化、PMV控制更加简单易行。

所述的节电控制装置28根据图9中的供电中断周期及周期起始时间设定模块12中所设定的供电中断周期及周期起始时间进行供电中断周期控制，供电中断周期可以从10分钟至20分钟内选择，本专利中采用了15分钟为一个供电中断周期，供电中断周期动作开始时间采用随机方式决定，产生公式由式(21)表示；

Pstart＝INT(RANDC()*15)      (21)

按照式(21)所产生的数是一个0至14之间的随机整数，从概率的角度来说出现0至14之间的任何数值的概率都是相同的，假如某个电网上有10万台空调运行的话，那么就有6666台左右的空调供电中断周期动作开始时间是相同的，也就是说在某15分钟的供电中断周期内，最先有6666台左右的空调进入供电中断周期，过一分钟后又有6666台左右的空调进入供电中断周期，…，如图10所示的效果，这种效果反映在用电高峰时特别明显，如果用电高峰时空调负荷占整个电网的负荷是40％、供电中断占空比都设置为15％的话，作为空调这一项能平缓用电高峰的15％，对整个电网来说至少能够起到平缓用电高峰值的6％，本专利中将其称为平均错开削峰法。实现平均错开削峰法相对比较简单，当空调一通电时，空调控制器进行初始化供电中断周期及周期起始时间设定模块12实现上述功能，这个功能对个人用户不会产生任何影响，而对整个电网安全是非常有利的，如果估计目前的空调数为1亿台的话，采用这个技术后也就是相当于新建一个三峡发电站的新增发电量。

参照图7，用一个温控动作序列图来进行说明，高电平表示空调室外机27处在通电状况，低电平表示温控单元26a起作用使空调室外机27处在不通电状况，因此由该温控动作序列图可以计算出1个小时内的温度控制动作率，在1个小时内共有6次温控动作，共计时间为3+1+2.5+2.5+1.5+1＝11.5分，其每小时的温度控制率为(11.5/60)*100＝19。温度控制动作率的计算公式由式(20)表示；

$\mathrm{TCrate}(\%)=\frac{\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}}{\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{on}}+\mathrm{\Σ}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}}*100...\left(20\right)$

式中：∑t_TC-off为一个时间周期中“关”的状态延续时间总和；∑t_TC-on为一个时间周期中“开”的状态延续时间总和。

在考虑采用了供电中断占空比技术来进行节电时，有一个实际节电率的计算问题，也就是说在计算实际节电率时要考虑对加热器23a的实际通电时间，这个实际通电时间是由RX1继电器24b与恒温器23b两者同时作用的结果。用图5来进行说明，当恒温器23b的接点处在“关”动作状态，这时加热器23a也处在“关”状态，即使强制地切断对电加热装置23的供电，这个切断电源的动作是由恒温器23b动作所产生的，因而在该切断电源时间不能称为节电。因此要得到实际的节电率，还必须从RX1继电器24b的“关”状态时间减去恒温器23b的“关”状态时间，为了准确测量实际节电率就需要采用图9中的节电率测量装置25。在节电率测量装置25中有检测加热器23a的通电状态的AX1继电器25b和检测包含恒温器23b的电加热装置23的是否处在供电状态的BX1继电器25c。另外在节电率测量装置25中设置节电率测量单元25a，该单元内配置有微电脑，根据对AX1继电器接点25e的“开/关”的状态检测监视AX1继电器25c的动作状态，根据对BX1继电器接点25d的“开/关”的状态检测监视BX1继电器25b的动作状态，在微电脑的内存中记录与该时刻的这些的动作状态。这里，上述的电力供应状态监视手段是以用BX1继电器接点25d的BX1继电器25b、运行状态监视手段以AX1继电器接点25e的AX1继电器25c来实现的。图5表示了对电加热装置23的供电情况用时间顺序在节电率测量单元25a的微电脑的内存中所记录的一个1小时的状态的控制实例。AX1继电器25c的动作状态表示了电加热器23a的通电状态，BX1继电器25b的动作状态表示了对电加热装置23的供电状态。在这个时间顺序图上，低电平表示继电器处在的“关”的状态；高电平表示继电器的“开”的状态。也就是说，AX1继电器25c的动作状态，高电平时对加热器23a是“开”的状态，低电平时是“关”的状态。同时，BX1继电器25b的动作状态，高电平是对电加热器装置23来说是电力供应状态，低电平表示电源切断状态。因此在求实际节电率时要从BX1继电器25b的低电平状态时间减去在该时间段中AX1继电器25c的低电平状态时间。对于图5来说，比如在BX1继电器25b的动作状态在一个小时内有T1、T2、T3和T4四次“关”的状态，每次“关”的状态的延续时间为3分钟，也就是说在一个小时内BX1继电器25b处于“关”的状态总时间为12分钟，但是注意到在图5中，当BX1继电器25b的动作状态在“关”的时间段内T1和T2中没有出现AX1继电器25c的低电平状态，在T3和T4中分别出现了AX1继电器25c的低电平状态，这两次的时间分别为2.5分和1分钟，那么在求实际节电率时就要减去这两个时间，即，12-2.5-1＝8.5分钟，实际节电率为(8.5/60)*100＝14％。因此计算实际节电率可以分两步来完成，首先计算在一个时间段中、在供电切断的情况下温控起作用不通电的时间累计值，用式(4)表示，

$T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}\left(\begin{array}{cc}\mathrm{when}& \end{array},t_{\mathrm{off}}\right)...\left(4\right)$

式中：T_two-off表示在一个时间段中，供电切断和温控起作用不通电同时发生的累计时间。有了这个累计时间就可以通过式(5)计算实际节电率：

$\mathrm{Arate}(\%)=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}-T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}}{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{on}}+\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}}*100...\left(5\right)$

式中：Arate(％)表示在一个时间段

中实际的节电率，

表示在该时间段中供电切断的累计时间。

有了上述公式就可以统计出以天、月、年为单位的实际节电率；同样也可以得到以天为单位的实际节电率变化曲线。在本专利中，将供电中断占空比设定值与温控动作序列数据分别保存在两张数据表中，将这些数据用来进行实际节电率的统计和反馈控制。在表中用状态值(True/False)表示动作的(ON/OFF)，以图7所示的动作状态图为例，能够得到表1、表2的记录，其中表1表示占空比设定值的序列记录，表2表示温控动作序列记录。表中列出了时间从2005年8月1日早上9:00开始一个小时内的记录。

表1供电中断占空比序列记录数据表

日期	时间	状态
			…	…	…
2005-8-1	9:00:00	True
			2005-8-1	9:12:00	False
2005-8-1	9:15:00	True
			2005-8-1	9:27:00	False
2005-8-1	9:30:00	True
			2005-8-1	9:42:00	False
2005-8-1	9:45:00	True
			2005-8-1	9:57:00	False
…	…	…

表2温控动作序列记录数据表

日期	时间	状态
			…	…	…
2005-8-1	9:00:00	True
			2005-8-1	9:06:00	False
2005-8-1	9:09:00	True
			2005-8-1	9:17:30	False
2005-8-1	9:18:30	True
			2005-8-1	9:30:30	False
2005-8-1	9:33:00	True
			2005-8-1	9:41:30	False
2005-8-1	9:45:00	True
			2005-8-1	9:51:30	False
2005-8-1	9:53:00	True
			2005-8-1	9:59:00	False
…	…	…

这两张表中记录了空调运行的实际情况数据，从这些所记录的数据中，通过式(1)、式(20)、式(4)以及式(5)计算得到某一时间段的供电中断率、温度控制动作率以及实际节电率等指标。

所述的节电控制装置28所产生的节电控制作用主要是通过图9中空调控制器计算模块13中的计算结果经I/O接口16传送给占空比控制器，所述的占空比控制器由功率放大芯片或者电子器件来实现，经功率放大后驱动RX2继电器28b或者RX1继电器24b进行周期性的“开/关”动作；以上已经对供电中断的周期和周期的起始时间进行了说明，从式(20)至式(23)的计算公式可以知道空调的节能率是与中断占空比大小有关，理论上中断占空比越大越节能，也就是说“关”动作时间越长越节能。但是在节能的同时也必须考虑使用者的热舒适与健康。

实施例2

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10，所述的室外机供电占空比计算模块通过控制算法计算得到室外机供电占空比。设定室内机风扇电机转速以及室内温度控制目标值，然后通过多目标满意优化结果来调节空调供电的一时中断的占空比，其控制的算法由式(6)表示

与实施例1不同的是实施例2中控制的优劣主要是热舒适、节能、健康等三项指标综合来评价，在本专利中采用控制目标集M＝{m₁，m₂，m₃}来表示上述三项指标的集合，其中m₁为热舒适度指标，用PMV数值表示，在夏季时其范围控制在0至1之间人体感到舒适，越趋向0舒适度越高，可以利用实施例1中所述的PMV计算方法得到PMV数值；m₂为实际节电率指标，计算方法由式(5)给出，实际节电率的值越大表示节电效果越好；m₃为健康指标，室内外温差维持在8℃范围内，室内相对湿度维持在50％左右，风速在1m/s左右。因此上述控制目标系列m₁，m₂，m₃都可以由一组适当定义的模糊集来表征。其隶属函数为μm_j(u) u∈U；j＝1，2，3

因此，空调***的模糊目标空间可表示为

$M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)|u\∈U,j=\mathrm{1,2,3}\}...\left(7\right)$

下面整理一下夏季空调的几个约束条件，1)节能约束条件：供电中断占空比最小不低于15％；2)健康约束条件：室内外温差不超过8℃，上限温度为32℃。相对湿度上限值不应超过80％，下限值不应低于30％；3)舒适度约束条件：PMV的范围0至1之间。将上述约束条件用数学公式g_j(u)来表达，

节能约束条件：g₁(u)＝15-rate(％)≤0

健康约束条件：g₂(u)＝temperature_door-out-temperature_door-in-8≤0

              g₃(u)＝temperature_door-in-32≤0

              g₄(u)＝humidity_door-in-80≤0

舒适度约束条件：g₅(u)＝PMV-1≤0

空调控制器的输入空间可以用式(8)来表示

U＝{μ|g_k(u)≤0，k＝1，2，3，u∈R³}        (8)

因此，空调控制模糊多目标满意优化模型可以由式(9)来表示

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\μ}=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\\ s.t.g_1\left(u\right)=15-\mathrm{rate}(\%)\≤0\\ g_2\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{out}}-{\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-8\≤0\\ g_3\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-32\≤0\\ g_4\left(u\right)={\mathrm{hrmidity}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-80\≤0\\ g_5\left(u\right)=\mathrm{PMV}-1\≤0\end{array}\right\}...\left(9\right)$

空调的控制输入就是根据输出对其价值函数的满意度来选择的。由于目标函数是用隶属度表示的模糊集合，所以需要用多目标模糊决策的预测方法来确定满意优化价值函数。这里用权重的方式来表示每个目标对控制***的重要性，设权重集为W＝{w₁，w₂，w₃)，式中w₁是热舒适性权重，w₂是节能性权重，w₃是健康性权重，w_i∈[0，1]且 $\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i=1,$ 目标越重要所对应的权重的相对值越大。在本专利中采用加性加权法来表示满意优化价值函数，计算公式由式(10)表示

${\mathrm{\μ}}_{c_0}\left(u_j\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{m_i}\left(u_j\right)*w_i...\left(10\right)$

我们设空调***的一般形式的单步预测模型为

式中：x(k)∈X为***的状态变量：y(k)∈Y为***输出，这里主要是供电中断占空比、温度控制以及风扇电机转速；u(k)∈{u₁，u₂，u₃)为空调控制器输入；映射f：X×U→X；映射F：X→Y；о为复合映射算子。控制目标用式(7)所示的空调***模糊目标空间来表征，模糊多目标的满意优化模型采用式(10)所示的带约束的优化模型来表征。

这里考虑是对所有目标的满意控制，所以在 $M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\}$ 时，输出y(k+1)对所有目标的满意程度由式(12)表示

μ_m(y(k+1))＝μ_m( Fοf(x(k)，u(k)))        (12)

式(12)中μ_m(y(k+1))是k时刻***过程状态为x(k)时控制u(k)对所有目标M(舒适性、节能性、健康性)的满意度。由M导出的满意解集C₀(k)∈U是控制空间U上的模糊集，其对目标M的满意度可以用隶属函数式(13)来表示，

与式(12)所表示的价值函数相应的满意度由式(14)表示

这时空调的满意控制由式(14)表示

在程序实现上对上述算法可以用下述语言规则来进行描述

                               ..................................

$R^j:\mathrm{if}\{u\left(k\right)\mathrm{is}{u}_j\→\hat{y}(k+1)\mathrm{satisfy}{\mathrm{\μ}}_g\left(k\right)\}\mathrm{then\; u}\left(k\right)\mathrm{is}{u}_j,\mathrm{else}$

$R^{j+1}:\mathrm{if}\{u\left(k\right)\mathrm{is}{u}_{j+1}\→\hat{y}(k+1)\mathrm{satify}{\mathrm{\μ}}_g\left(k\right)\}\mathrm{thenu}\left(k\right)\mathrm{is}{u}_{j+1},\mathrm{else}$

                               ..................................

式中：Rj是对应于第j个控制的规则，其意义是：如果u(k)＝u_j时，输出

满足满意优化μ_g(k)，则取uj为k时刻空调控制器的输出。因此规则Rj是否被采纳取决于控制uj能否导致空调的控制使得所有目标得到满意的效果。但是在实际的使用上控制uj中的温度目标设定值与风扇的电机转速是相对不变的，而将供电中断占空比作为控制的输入量。

实施例3

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11，所述的空调终端为多个，所述的室内外环境数据读取模块读取各个空调终端的室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；所述的室外机供电占空比计算模块的输出连接各个空调终端的供电占空比控制器。

其余结构与工作过程与实施例1相同。

上述的实施例1、2、3所产生的发明效果是，根据资料统计2003年我国每百户家庭空调装机量为61.79台，全国城市家庭约为1.2亿个，城市住宅房间空调拥有量为7400万台，空调电力需求约为7500万千瓦，约为2003年全国发电能力的20％左右。按每年静增1700万套空调计算，我国在2005年现在城市住宅房间空调拥有量将超过1亿台，如果假设每台空调每年使用的时间为500小时左右话，那么1亿台套空调平均每套1000瓦耗电量来保守计算，就家庭空调这一项就将消耗500*1*1000＝1000亿度电，如果实际节能率以15％计算的话，将会节约150亿度电。按目前火力发电每发1度电排放二氧化碳0.8-2.5公斤，在国际碳素市场上每吨二氧化碳减排配额的价格约为4美元，节约一度电，就相当于节约0.4公斤标准煤和4升的净水，还可减少大约0.27公斤的粉尘、0.8-2.5公斤的二氧化碳和0.037公斤的二氧化硫等排放。

就家庭空调节能这一项对国家来说：节约500*1*1000＝1000亿度电；节约150亿度电*0.4公斤标准煤＝60亿公斤标准煤；节约150亿度电*4升的净水＝600亿升的净水；减少150亿度电*0.27公斤的粉尘＝40.5亿公斤的粉尘的排放；减少150亿度电*0.8-2.5公斤的二氧化碳＝120-375亿公斤＝1200-3750万吨的二氧化碳的排放；减少150亿度电*0.037公斤的二氧化碳＝5.55亿公斤的二氧化硫的排放；按国际碳素市场上每吨二氧化碳减排配额的价格约为4美元计算，二氧化碳减排配额1200-3750*4＝4800-15000万美金；从起到平缓整个电网高峰值的6％来计算，能减少国家对一个类似于一个三峡工程的投资。

就家庭空调节能这一项对每个家庭来说：平均每个家庭每年可节约100度电，按每度电0.68计算，每年在节约的电费为68元；减少了由于空调使用不当额外支出的治疗空调病的费用。

无论对新型节能空调的生产还是对目前大量的空调使用者将不会产生更多的经济负担，能较方便地实施节能空调的技术改造工作；能解决现有空调该冷不冷、该热不热的弊端。因为空调***的作用点将不再是室内的空气，而是空调***所服务的对象人，这样将大大提高空调房间的热舒适性，促进人们工作效率的提高；能更大程度地发挥空调***的节能潜力，以热舒适、节能、健康指标为调控目标，通过选择各环境参数的最佳组合，使空调***的运行能耗最小，使“空调病”远离人们，能同时满足空调的热舒适性、节能性以及健康性的要求。

Claims (10)

1、一种具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，所述的控制装置包括微处理器、用于检测室内温度的室内温度传感器、用于检测室内湿度的湿度传感器、室外机启动电路，所述的微处理器包括温度控制模块，所述的温度控制模块包括温度设置单元、温度比较单元，所述的室内温度传感器、温度设置单元的输出连接温度比较单元，所述的温度比较单元的输出连接室外机启动电路，其特征在于：所述的空调控制装置还包括用于检测室外温度的室外温度数据采集器、用于设定室外机供电电源占空比的占空比控制器以及用于存储热舒适度PMV与温度、湿度的对应序列以及热舒适度与占空比的对应序列的存储模块；

所述的微处理器还包括：

室内外环境数据读取模块，用于读取室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；

热舒适度PMV计算模块，用于根据室内的温度值、湿度值、室内机的风速，将所述的室内机的风速折算成当量温度T_a，依照热舒适度与当量温度、湿度的对应序列，计算得到热舒适度PMV；

供电中断周期设定模块，用于设定室外机的占空比供电周期；

周期起始时间设定模块，用于随机设定当前室外机供电电源的占空比供电周期的起始时间；

室外机供电占空比计算模块，用于根据上述得到的热舒适度，依照热舒适度与占空比的对应序列，计算得到室外机供电占空比；

所述的室外机供电占空比计算模块的输出连接供电占空比控制器。

2、如权利要求1所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的舒适度PMV与占空比的对应序列用下式(1)表示：

$\begin{array}{cccc}\mathrm{rate}(\%)=\frac{t_{\mathrm{off}}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}*100=f_1\left(\mathrm{PMV}\right)& \mathrm{where}& T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}}\≥8& \mathrm{rate}(\%)=85---\left(1\right)\end{array}$

其中，f₁表示了热舒适度与中断占空比输出的函数关系，PMV值是通过室内的温度、湿度和风力情况计算得到的PMV值，当PMV值接近0时或者在室内外温差相差超过8度时，占空比为85；t_on为一个供电中断周期中“开”的状态延续时间；t_off为一个供电中断周期中“关”的状态延续时间。

3、如权利要求l所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的当量温度T_a的计算方法，其算式为(2)、(3)；

ΔT＝6*(v-0.25)-(v-0.25)²   (2)

T_a＝T_in-measure-ΔT        (3)

其中，v为室内机的风速数值，单位是米/秒，ΔT为可允许增量，T_a为当量温度，T_in-measure为目前的室内温度值。

4、如权利要求2所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的当量温度T_a的计算方法，其算式为(2)、(3)；

ΔT＝6*(v-0.25)-(v-0.25)²   (2)

T_a＝T_in-measure-ΔT        (3)

其中，v为室内机的风速，单位为米/秒；ΔT为可允许增量，T_a为当量温度，T_in-measure为目前的室内温度值。

5、如权利要求1-4之一所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的微处理器还包括节电率测量模块，用于根据室外机供电电源的供电情况、温度控制模块供电情况计算得到节电率，其算式为(4)、(5)：

$T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}=\begin{array}{ccc}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{TC}-\mathrm{off}}& (\mathrm{when}& t_{\mathrm{off}})---\left(4\right);\end{array}$

$\mathrm{Arate}(\%)=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}-T_{\mathrm{two}-\mathrm{off}}}{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{on}}+\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{off}}}*100---\left(5\right);$

其中，∑t_TC-off为一个供电中断周期中由于温度控制模块所产生的“关”的状态延续时间总和，t_off为一个供电中断周期中温度控制模块的“关”的状态时间；∑t_off表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“关”的状态延续时间，∑t_on表示在一个供电中断周期中，温度控制模块控制下“开”的状态延续时间，T_two-off表示在一个周期中，供电切断和温控起作用不通电同时发生的累计时间。

6、如权利要求1-4之一所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的室外机供电占空比计算模块通过插值查表法计算得到室外机供电占空比。

7、如权利要求1-4之一所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的室外机启动电路是用继电器或可控硅控制室外机的“开/关”动作的电路。

8、如权利要求1-4之一所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的室外机供电占空比计算模块通过控制算法计算得到室外机供电占空比，所述的控制算法由式(6)表示：

其中，M＝{m₁，m₂，m₃}来表示上述三项指标的集合，其中m₁为热舒适度指标，用PMV数值表示，在夏季时其范围控制在0至1之间人体感到舒适，越趋向0舒适度越高；m₂为实际节电率指标；m₃为健康指标，室内外温差维持在8℃范围内，室内相对湿度维持在50％左右，风速在1m/s左右；所述的m₁，m₂，m₃由一组适当定义的模糊集来表征，其隶属函数为：μ_mj(u)    u∈U；j＝1，2，3；

空调***的模糊目标空间可表示为：

$M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)|u\∈U,j=\mathrm{1,2,3}\}---\left(7\right)$

所述的控制算法中，对于夏季空调有几个约束条件，1)节能约束条件：供电中断占空比最小不低于15％；2)健康约束条件：室内外温差不超过8℃，上限温度为32℃。相对湿度上限值不应超过80％，下限值不应低于30％；3)舒适度约束条件：PMV的范围0至1之间；将上述约束条件用数学公式g_j(u)来表达为：

节能约束条件：g₁(u)：15-rate(％)≤0

健康约束条件：g₂(u)=temperature_door-out-temperature_door-in-8≤0

              g₃(u)=temperature_door-in-32≤0

              g₄(u)=humidity_door-in-80≤0

舒适度约束条件：g₅(u)＝PMV-1≤0

空调控制器的输入空间可以用式(8)来表示：

u＝{μ|g_k(u)≤0，k＝1，2，3，u∈R³)  (8)

由上式(7)、(8)以及约束条件，得到空调控制模糊多目标满意优化模型，用(9)来表示：

$\mathrm{\μ}=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\}$

$\left.\begin{array}{cc}s.t.& g_1\left(u\right)=15-\mathrm{rate}(\%)\≤0\\ & g_2\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{out}}-{\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-8\≤0\\ & g_3\left(u\right)={\mathrm{temperature}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-32\≤0\\ & g_4\left(u\right)={\mathrm{humidity}}_{\mathrm{door}-\mathrm{in}}-80\≤0\\ & g_5\left(u\right)=\mathrm{PMV}-1\≤0\end{array}\right\}---\left(9\right)$

采用加性加权法来表示满意优化价值函数，计算公式由式(10)表示

${\mathrm{\μ}}_{c_0}\left(u_j\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{m_i}\left(u_j\right)*w_i---\left(10\right)$

上式中w_t是热舒适性权重，w₂是节能性权重，w₃是健康性权重，w_i∈[0，1]且 $\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i=1;$

空调控制的单步预测模型为：

式中：x(k)∈X为***的状态变量；y(k)∈Y为***输出，这里主要是供电中断占空比、温度控制以及风扇电机转速；u(k)∈{u₁，u₂，u₃}为空调控制器输入；映射f：X×U→X；映射F：X→Y；о为复合映射算子；

在 $M=\{{\mathrm{\μ}}_{m_1}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_2}\left(u\right),{\mathrm{\μ}}_{m_3}\left(u\right)\}$ 时，输出y(k+1)对所有目标的满意程度由式(12)表示：

μ_m(y(k+1))＝μ_m( Fоf(x(k)，u(k)))                   (12)

式(12)中μ_m(y(k+1))是k时刻***过程状态为x(k)时控制u(k)对所有目标M(舒适性、节能性、健康性)的满意度；

由M导出的满意解集C₀(k)∈U是控制空间U上的模糊集，其对目标M的满意度可以用隶属函数式(13)来表示，

与式(12)所表示的价值函数相应的满意度由式(14)表示

空调的室外机的供电占空比由式(14)表示：

9、如权利要求5所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的微处理器包括温度控制部分、空调附加控制部分，所述的温度控制部分是温度控制模块；所述的空调附加控制部分包括室内外环境数据读取模块、热舒适度PMV计算模块、供电中断周期设定模块、周期起始时间设定模块、室外机供电占空比计算模块、节电率测量模块。

10、如权利要求5所述的具有舒适、节能和健康功能的空调控制装置，其特征在于：所述的空调终端为多个，所述的室内外环境数据读取模块读取各个空调终端的室内温度传感器、湿度传感器、室外温度数据采集器、室内机风速采集器的数据；所述的室外机供电占空比计算模块的输出连接各个空调终端的供电占空比控制器。

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