WO2010066076A1

WO2010066076A1 - 基于平均热感觉指数的空调节能控制***及方法

Info

Publication number: WO2010066076A1
Application number: PCT/CN2008/073429
Authority: WO
Inventors: 程朋胜; 裴念强; 李铁牛; 郭宇红; 李信洪
Original assignee: 深圳达实智能股份有限公司
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-17
Also published as: CN101828082A; CN101828082B

Description

说明书基于平均热感觉指数的空调节能控制***及方法技术领域

[1] 本发明涉及一种空调控制***，具体地说涉及一种基于预计平均热感觉指数的空调节能控制***及方法。

背景技术

[2] 随着生活水平的提高，人们对环境质量越来越重视。对于居住在城市内的人们来说，大部分吋间是呆在密闭的室内空调环境中，从身体健康和工作效率的角度考虑，保证室内热舒适性和空气质量是非常重要的。同吋，由于能源紧缺、环境恶化等原因，节能已经成为我国的基本国策，但是要保证室内热舒适性和空气质量，往往是以空调***的能耗和运行费用增加为代价。

[3] 目前在舒适性空调***中，大多釆用室内温度为被控参数的控制方案。但是

，人体需要的舒适环境除了与室内空气温度有关外，还受室内空气湿度、空气流动速度、室内空气质量等多种因素的影响。 1984年国际标准化组织（ISO) 提出了室内热环境评价与测量的标准化方法（IS07726) ，用预计平均热感觉指数 PMV来描述和评价，室内 PMV是在人体与环境之间的热平衡基础上，包括了气温、湿度、辐射、气流以及人体代谢量、着衣量的 6种因素的温热环境指标。 PM V值所对应的冷热感标尺如下：

室内空气中，二氧化碳在 700PPM以下吋属于清洁空气，人体感觉良好，当浓度在 700~1000PPM吋属于普通空气，个别敏感者会感觉有不良气味，在我国的《室内空气中二氧化碳卫生标准》中规定二氧化碳含量空气质量标准是 1000P PM。所以单纯控制室内温度很难创造真正舒适的室内环境。即使达到较舒适的室内环境，也会导致空调***的能耗和运行费用增加。

[6] 现有技术中一种方案是，通过传感器测量室内环境参数，改变制冷剂流量、调节风机转速的方式使室内达到 PMV热舒适性区间的要求。而另一种方案是釆用两种控制模式，第一种是基于 PMV对空调控制，当达到 PMV允许范围吋执行第二种控制模式，根据氧气及二氧化碳浓度执行空气净化模式。这两个专利重点是通过自动控制达到室内的热舒适，但是它们都没有考虑空调能耗的问题。

[7] 因此迫切需要一种即能够满足人体舒适度需要又能保证***能耗最低的空调控制***。

发明内容

[8] 本发明的目的是解决上述舒适与节能之间不能兼顾的问题，提供一种以预计平均热感觉指数（以下简称为 PMV) 、室内空气中二氧化碳含量以及室内外焓值为被控参数，在满足室内热舒适性和空气质量的基础上，通过对风机转速以及阀门开度的控制，来实现空调***的节能运行的方法。

[9] 因为空调***的控制对象的随机、吋变、吋滞和非线性特征比较明显，传统的控制方法如 PID控制，对控制参数不易实现在线调节，自动调节能力较差。本发明通过在对 PMV值范围的调节上引入现代模糊控制方法来解决上述问题。

[10] 在根据本发明的空调节能控制***中，所述***包括控制器、 PMV传感器、

C02浓度传感器、新风阀、冷水阀、风机变频器；在根据本发明的一个实施例中，所述***还包括室外焓值（HI) 传感器、室内焓值（H2) 传感器；

[11] C02浓度传感器、室内焓值传感器、室外焓值传感器连接在所述控制器的输入端；

[12] 所述新风阀、冷水阀以及风机变频器连接在所述控制器的输出端；

[13] 所述控制器包括可根据所述 C02浓度传感器、所述室内焓值传感器、所述室外焓值传感器的输入、并基于设定的 C02浓度阈值调节新风阀门开度以减小所述空调***负荷实现节能的节能控制模块。

[14] 根据本发明的空调节能控制***，所述***还包括预计平均热感觉指数 PMV 传感器，其连接在所述控制器的输入端。其中，所述控制器还包括可根据所述 P

MV传感器的输入、并基于设定的 PMV阈值范围来调节风机变频器频率以及冷水阀门开度的 PMV控制模块。

[15] 为能同吋满足舒适性以及节能要求和室内空气质量，本发明还提供了一种空调节能控制方法，所述方法包括：

[16] 判断 PMV值是否在 PMV阈值范围内，如果在的话，执行以下操作：

[17] 在供冷情况下，设室内外焓差 ΔΗ 室外焓值 HI-室内焓值 H2;

[18] 当所述 ΔΗ<0吋，增大新风阀门开度控制量，以减小负荷；

[19] 当所述 ΔΗ>0吋，监测 C02浓度，如果所述 C02浓度低于所述阈值，为减小所述负荷可适当减小所述新风阀门开度控制量，如果所述 C02浓度超过所述阈值

，则适当增大所述新风阀门开度控制量。

[20] 根据本发明的方法的一个方面，所述方法还包括在供热情况下执行以下操作

[21] 当所述 ΔΗ>0吋，增大所述新风阀门开度控制量，以减小所述负荷；

[22] 当所述 ΔΗ<0吋，监测所述 C02浓度，如果所述 C02浓度低于所述阈值，为减小所述负荷可适当减小所述新风阀门开度控制量，如果所述 C02浓度超过所述阈值，则适当增大所述新风阀门开度控制量。

[23] 根据本发明的方法的另一个方面，所述 C02浓度阈值可在 700- lOOOppm之间选择，在本发明中，所述 C02浓度阈值选择为 950ppm。

[24] 根据本发明，如果判断所述 PMV值不在所述 PMV阈值范围内，则所述方法还包括以下步骤：

[25] S201、 PMV值釆集及模型初始化，其中，根据 PMV传感器釆集的 PMV值以及设定的所述 PMV阈值范围，计算 PMV偏差值和 PMV偏差变化率；

[26] S202、 PMV偏差值模糊化处理，其中，将所述 PMV偏差值按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差值的模糊量；

[27] S203、 PMV偏差变化率模糊化，其中，将所述 PMV偏差变化率按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差变化率的模糊量；

[28] S204、模糊推理，其中，将所述 PMV偏差值的模糊量以及所述 PMV偏差变化率的模糊量作为输入参数，在预先设定好的模糊规则库中査表得到模糊控制

[29] S205、模糊量清晰化处理，将所述模糊控制量分解成频率控制量以及冷水阀门开度控制量； [30] S206、输出处理，将得到的所述频率控制量以及所述冷水阀门开度控制量分别输出。

[31] 根据本发明的又一方面，所述 PMV阈值范围设在 -0.5_0.5之间。

[32] 本发明将 PMV值、 C02浓度以及室内外焓差 ΔΗ作为被控参数，保证了室内热舒适性和空气清洁度，有效的改善了室内环境。此外，控制器上的 PMV控制模块以及节能控制模块优化空调机组的控制实现了节能的效果。

附图说明

[33] 图 1是根据本发明的实施例的空调节能控制***图；

[34] 图 2是根据室内热环境评价与测量的标准化方法（IS07726) 的预计平均热感觉指数与人群预计不满意度百分比的关系的曲线图表；

[35] 图 3是根据本发明的实施例的控制器结构框图；

[36] 图 4是根据本发明满足 PMV阈值范围、且***处于供冷状态下基于室内外焓值以及 C02浓度阈值来调节新风阀门开度的流程图；

[37] 图 5是根据本发明的 PMV控制模块中用以调节 PMV指数的流程图。

具体实施方式

[38] 图 1显示了根据本发明的空调节能控制***，其主要包括控制器 101、 PMV传感器 107、 C02浓度传感器 109、室内焓值传感器 108、室外焓值传感器 102、新风阀 103、冷水阀 104、风机变频器 106。

[39] 焓是工质（这里指空气）在某一状态下所具有的总能量，它是内能 U和流动能 PV之和，是一个复合状态参数，其定义式为 H = U + PV。焓用符号 H表示，其单位为 J或 kJ。因为焓是由状态参数 U、 P、 V组成的综合量，对工质的某一确定状态， U、 P、 V均有确定的数值，因而 U + PV的数值也就完全确定。所以，焓是一个取决于工质状态的状态参数，它具有状态参数的一切特征。热力学能 U是工质本身所具有的能量，推动功则是随工质流动而转移的能量，因此在状态变化的过程中，工质的焓变量是工质流入（或流出） ***吋传递入（或传递出） ***的总能量。所以，通过测量室内外空气的焓值之差，就可以知道当引入室外新风吋，建筑内能量增加还是减少，也即是增大了空调负荷还是降低了空调负荷。通过测量室内外空气焓差，控制引入室内的新风量，可以达到节省空调 ***能耗的目的。

[40] 在夏季及过渡季节，空调***需要制冷以维持室内舒适环境，当室外空气焓值小于室内空气焓值吋（即 ΔΗ<0) ，增加新风量可以降低空调冷负荷，从而会降低空调***的负载率，节省了整个空调***的能耗；当室外空气焓值大于室内空气焓值吋（即 ΔΗ>0) ，室外空气能量高于室内空气能量，需要将新风引入量降低到最小。相反，在冬季需要空调***制热的情况，当室外空气焓值小于室内空气焓值吋，为了降低空调***热负荷，将新风引入量减少到最小，以减少空调***能耗；当室外空气焓值大于室内空气焓值吋，增加新风量，可以降低空调负载率，从而节省空调制热能耗。

[41] 如图 2所示，其中显示了根据室内热环境评价与测量的标准化方法（IS07726

) 的预计平均热感觉指数与人群满意度关系的曲线图表，在本发明中，综合能耗指标选取 PMV阈值范围为 -0.5_0.5，依据图 2这能满足 90%人群的热舒适性要求。

[42] 如图 3所示，控制器还包括 PMV控制模块 302、节能控制模块 303、模拟输入电路 304、模拟输出电路 305。 PMV传感器 107、 C02浓度传感器 109、室内焓值传感器 108、室外焓值传感器 102等检测单元连接到控制器 101的模拟输入电路 30 4上，新风阀 103、冷水阀 104以及风机变频器 106作为被控对象连接到控制器 101 的模拟输出电路 305上。

[43] 在本发明中，每个空调机组控制区域选取一个监测点，安装 PMV传感器 107

、 C02浓度传感器 109以及室内、外焓值传感器（108和 102) ，负责釆集相应区域内的 PMV值、 C02浓度值和焓值，并且把釆集数据传递给 101。

[44] 变频器负责接收来自模拟输出电路 305的频率控制信号 Ff，并据此调节变频器的输出频率，控制空调机组风速。

[45] 冷水阀负责接收来自的模拟输出电路 305的阀门开度控制信号 So，并据此调节冷水阀 104的开度，控制进入盘管的冷水流量，从而调节温度。

[46] 新风阀负责接收来自模拟输出电路 305的阀门开度控制信号 Fo，并据此调节新风阀开度，控制空调机组风量，从而改善空气质量。

[47] 如图 4所示，根据本发明的一个实施例，在满足了 PMV指标范围即人体舒适度的控制需求后，更为重要的是要实现空调风机控制***的节能目的。在此，基于室内外焓差 ΔΗ (即 ΔΗ 室外焓值 HI-室内焓值 H2) 以及 C02浓度来对新风阀开度进行控制，在空调***供冷状态下的方法如下：

[48] 所述方法开始于步骤 401，然后执行步骤 402，进行 PMV测量，根据釆样值判断 PMV是否处于阈值范围内，如果是的话，则转到步骤 404，如果否的话，则执行步骤 405;

[49] 在步骤 405中，进行 PMV控制，直到 PMV处于阈值范围内为止。

[50] 在步骤 404中，判断焓差 ΔΗ是否小于 0，如果是的话，引入新风会减少冷水机组的负荷，因此执行步骤 408增大新风阀门开度控制量 Fo，增加进入室内的新风量。然后步骤返回到开始步骤 401 ; 如果否的话，进入步骤 406。

[51] 在步骤 406中，如果引入新风的话，会增大机组负荷，因此要对室内 C02浓度进行监测，如果 C02浓度高于 950ppm的话，则要牺牲能耗来保证室内空气质量，因此执行步骤 408，增大新风阀门开度控制量 Fo

，之后步骤返回到开始，执行下一次的处理。

[52] 如果 C02浓度低于 950ppm的话，则执行步骤 407可以继续减小阀门开度控制量 Fo，从而减小冷水机组的负荷，然后步骤返回到开始，执行下一次的处理。

[53] 在空调***处于制热状态下，控制方式相反，因此图中未画出，步骤如下：

[54] 当 ΔΗ>0吋，引入新风会减少冷水机组的负荷，因此增大阀门开度控制量 Fo

，增加进入室内的新风量；当 ΔΗ<0吋，引入新风会增大机组负荷，此吋要对室内 C02浓度进行监测， C02浓度低于 950ppm吋，则减小阀门开度控制量，如果 C 02浓度高于 950ppm吋，不能减小新风，而是要牺牲能耗来保证室内空气质量，因此要增大阀门开度控制量 Fo，从而反复调节阀门最终达到节能与舒适的平衡

[55] 如图 5所示，在本发明的一个实施例中， PMV控制模块用于当 PMV值超出阈值范围吋对风机频率和冷水阀进行控制，改变室内的温湿度及风速，从而调节室内的 PMV值，使其处于阈值范围之内。如下为 PMV模糊控制步骤：

[56] S201、 PMV值釆集及模型初始化，在此步骤中，根据本发明的控制器通过 P

MV传感器釆集的 PMV指标，并根据设定的 PMV阈值范围计算 PMV偏差值和 PM V偏差变化率；

[57] S202、 PMV偏差模糊量化处理，在此步骤中，将所述 PMV偏差值按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差值的模糊量；

[58] S203、 PMV偏差变化率模糊化，其中，将所述 PMV偏差变化率按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差变化率的模糊量；

[59] S204、模糊推理，在此步骤中，将所述 PMV偏差的模糊量以及所述 PMV偏差变化率的模糊量作为输入参数，在预先设定好的模糊规则库中査表得到模糊控制量，其中所述模糊规则库是根据反复调校***所得的经验预先设置好并存储于控制器中的，所述模糊控制量涉及多个控制对象；

[60] S205、模糊量清晰化处理，由于模糊推理过程中得到的模糊控制量与多个控制对象相关，并且多个控制对象深度耦合，根据本发明为简洁起见，将模糊控制量根据程序分解成两个单独的控制量，频率控制量 Ff以及冷水阀门开度控制量 Soo 在不同应用中所述模糊控制量还可分解成更多的单独的控制量；

[61] S206、输出处理，将所述得到的单独的控制量分别输出给不同的控制对象，如变频器、水阀门等。

[62] 其中在本发明的实施例中，由于所述模糊规则库是由技术人员根据空调以及环境特性在实际控制操作中得到的经验数据构成的，因此在其他情况下，模糊规则库可以不同。

[63] 本发明通过模糊控制实现环境 PMV的调节并通过 C02浓度的监测实现空气质量改善，同吋根据本发明的实施例可以实现***热舒适性要求以及节能要求的最优结合。

Claims

权利要求书

[1] 一种基于预计平均热感觉指数的空调节能控制***，

其包括控制器、 C02浓度传感器、新风阀、冷水阀、风机变频器；其特征在于，所述***还包括室外焓值传感器、室内焓值传感器；所述 C02浓度传感器、所述室内焓值传感器、所述室外焓值传感器连接在所述控制器的输入端；

所述新风阀、所述冷水阀以及所述风机变频器连接在所述控制器的输出端；

所述控制器包括可根据所述 C02浓度传感器、所述室内焓值传感器、所述室外焓值传感器的输入、并基于设定的 C02浓度阈值调节所述新风阀门开度以减小所述空调***负荷实现节能的节能控制模块。

[2] 如权利要求 1所述的空调节能控制***，其特征在于，所述***还包括 PM

V传感器，其连接在所述控制器的输入端。

[3] 如权利要求 1所述的空调节能控制***，其特征在于，所述控制器还包括可根据所述 PMV传感器的输入、并基于设定的 PMV阈值范围来调节所述风机变频器的频率以及所述冷水阀门开度的 PMV控制模块。

[4] 一种基于预计平均热感觉指数的空调节能控制方法，其特征在于，所述方法包括：

判断 PMV值是否在 PMV阈值范围内，如果在的话，执行以下操作：在供冷情况下，设室内外焓差 ΔΗ 室外焓值 H 1 -室内焓值 H2；当所述 ΔΗ<0吋，增大新风阀门开度控制量，以减小负荷；

当所述 ΔΗ>0吋，监测 C02浓度，如果所述 C02浓度低于所述阈值，为减小所述负荷可适当减小所述新风阀门开度控制量，如果所述 C02浓度超过所述阈值，则适当增大所述新风阀门开度控制量。

[5] 如权利要求 4所述的空调节能控制方法，其特征在于，所述方法还包括在供热情况下执行以下操作：

当所述 ΔΗ>0吋，增大所述新风阀门开度控制量，以减小所述负荷；当所述 ΔΗ<0吋，监测所述 C02浓度，如果所述 C02浓度低于所述阈值，为减小所述负荷可适当减小所述新风阀门开度控制量，如果所述 C02浓度超过所述阈值，则适当增大所述新风阀门开度控制量。

[6] 如权利要求 4所述的空调节能控制方法，其特征在于，所述 C02浓度阈值可在 700-1000ppm之间选择。

[7] 如权利要求 6所述的空调节能控制方法，其特征在于，所述 C02浓度阈值可以为 950ppm。

[8] 如权利要求 4所述的空调节能控制方法，其特征在于，如果判断所述 PMV 值不在所述 PMV阈值范围内，则所述方法还包括以下步骤：

5201、 PMV值釆集及模型初始化，其中，根据 PMV传感器釆集的 PMV值以及设定的所述 PMV阈值范围，计算 PMV偏差值和 PMV偏差变化率；

5202、 PMV偏差值模糊化处理，其中，将所述 PMV偏差值按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差值的模糊量；

5203、 PMV偏差变化率模糊化，其中，将所述 PMV偏差变化率按编制好的模糊化程序计算出所述 PMV偏差变化率的模糊量；

5204、模糊推理，其中，将所述 PMV偏差值的模糊量以及所述 PMV偏差变化率的模糊量作为输入参数，在预先设定好的模糊规则库中査表得到模糊控制量；

5205、模糊量清晰化处理，将所述模糊控制量分解成频率控制量以及冷水阀门开度控制量；

5206、输出处理，将得到的所述频率控制量以及所述冷水阀门开度控制量分别输出。

[9] 如权利要求 4所述的空调节能控制方法，其特征在于，所述 PMV阈值范围设在 -0.5_0.5之间。