基于舒适感的室内热环境控制初步研究_中国暖通空调网 - 技术交流
中国暖通空调网
  首  页
    关于学会
    学会理事
    学会年会
    行业资讯
    政策法规
    技术交流
    专题讨论
    暖通空调奖
    工作者之家
    English
    MDV设计大赛
 
技术交流
      供暖·论文
      供暖·案例
      空调·论文
      空调·案例
      热泵·论文
      热泵·案例
      通风·论文
      通风·案例
      模拟·论文
      模拟·案例
      综合·论文
      综合·案例
最新列表
 太阳能供暖市场将有大动作
 仇保兴:绿色建筑发展要把握...
 国家发改委 能源局印发《关于...
 10部委合力推动北方清洁取暖
 清洁能源改变生活 盘点2017能...
 安徽省暖通空调学会——热泵...
 2017年全国暖通空调模拟学术...
 第2届“海尔磁悬浮杯”绿色设...
 第15届MDV中央空调设计应用大...
 2017年第二届中国暖通空调与...
 2017全国暖通空调青年学术年...
 2018年第二十一届全国暖通空...
 报到通知:2017年第二届中国...
 关注供热末端,走进瑞特格(...
 2017年第二届中国暖通空调与...
更多>> 
当前位置:首页 >> 技术交流 >> 综合·论文  
综合·论文

基于舒适感的室内热环境控制初步研究
2016-09-12 | 中国暖通空调网 |【

王福林1  陈哲良1  江亿1  赵千川2  赵寅2

1 清华大学建筑技术科学系   2 清华大学自动化系

  要:现有的室内热环境主要由房间使用者或是建筑运行管理人员给出的温度设定值来进行控制。但是调查发现,约50%的温度设定值是不合理的,不仅导致过冷或过热的不舒适的室内热环境,也造成了能源的浪费。本文提出了一种新的室内热环境控制的理念,房间使用者通过人机交互界面,向系统传达湿等热舒适感觉,根据使用者的舒适感来进行控制。同时,搭建了实验台进行实验,以验证该系统的可行性。实验发现,对于控制表现的平均评价在67(即满意非常满意)之间,表明这种基于舒适感的热环境控制方法具有实际应用的可行性。

关键词:舒适感,热环境控制,模型预估,个性化热舒适

1 引言

房间温度设定值的设置方式一般有两种:一种是由建筑运行管理人员来设置,通常用于安装有建筑自动化系统(BAS)的建筑。而由于这种方法难以照顾到房间使用者对热环境的不同偏好,也不能让使用者自行调节温度,用户感觉不是很方便。另一种则是由房间使用者通过温控器来设置,但调查发现许多温度设定值很不合理,比如供冷温度设为15℃、供热设为30℃等。图1是在一些实际建筑中拍摄到的温控器器的照片,可以发现这些温度设定值都极不合理,如其中最左边的图中,尽管贴有请将温度调整至26℃”的提示,房间使用者还是将温度设定为14℃. 2所示的是在2012816日至23日对北京某写字楼的240个房间温度设定值的调查数据。数据显示仅有50%的温度设定值处于ASHRAE建议的夏季舒适温度23~26℃范围内[1]22%的温度设定值低于16℃。这些极高或是极低的设定值很显然不是房间使用者所需求的,他们其实是想通过这样的温度设置让房间温度迅速降低或升高,但当他们专心投入工作后,通常就忘了将温度设置回舒适的范围,从而导致室内环境过冷或过热。不合理的室内温度设定值不仅会导致不舒适的室内热环境,同时也会造成能源的浪费。从上述这些现象可以看出,现有的室内温度设定的方法急需改进,从而为用户提供满足其需求的舒适的热环境,并且防止空调系统的能源浪费。

为了营造个性化的、更为舒适和节能的室内热环境,本文提出了一种新的室内热环境控制的理念,房间使用者通过人机交互界面(HMI),向系统传达湿等热舒适感觉,系统便根据使用者的舒适感对热环境进行控制。本文针对该控制理念的可行性、优势及面临的挑战等方面进行了研究讨论。同时,为了研究该控制理念的可行性和有效性,搭建了基于舒适感的室内环境控制实验台,并进行了一系列实验,并对实验结果和相关的初步分析进行了讨论。 

 实际建筑中拍摄到的温控器温度设定值
1 实际建筑中拍摄到的温控器温度设定值(从左到右:1)尽管风机盘管的温控器上贴有请将温度调整至26℃”的提示,但室温设定值仍设定为14℃2)多联机空调器制冷工况室温设定值为19℃3)变风量系统供热工况室温设定值超过30℃4)美国一户住宅的供热室温设定值为80℉26.7℃))
北京某写字楼2012年8月16日至23日240个房间的温度设定值统计
2 北京某写字楼2012816日至23240个房间的温度设定值统计

2 新控制理念

本文所提出的新的控制理念,是根据房间使用者的热舒适感觉而不是温度设定值来进行控制,可以避免出现上述提到的不合理的温度设定以及由其造成的不舒适的室内热环境和能源浪费等现象。该控制理念如图3所示。与传统的空调系统相比,该控制方法额外需要的是HMI硬件和解释器、决策器、控制器等相关软件程序。HMI用于获取房间使用者的热舒适感觉,其形式可以是触摸屏、按键设备,或是计算机、手机软件。当使用者感到不舒适时,可通过HMI将他们的热感觉输入系统。此外,人体热感觉也可以通过一些智能方法来估计,比如体态语言识别、语音识别、红外摄像机测量人体表面温度等。解释器采用一种在线学习的算法,能得出个性化的、动态的热舒适区;然后,决策器则采用特定的算法来决定最优的设定值;最后,控制器根据所得到的设定值来控制空调系统的输出以营造合适的热环境。这种基于舒适感的热环境控制系统有以下几个特点:

·用者不直接对设定值进行设置;

·使用者成为动态闭环控制中的一环;

·能够实现个性化热舒适;

·能够通过反馈信息,引导使用者实现行为节能;

·考虑了人因工程技术。

基于舒适感的热环境控制理念
3 基于舒适感的热环境控制理念

3 可行性研究

为了验证这种基于舒适感的热环境控制系统的可行性,笔者搭建了安装有该系统的实验台,并进行了一系列实验来评价这一系统。

3.1 实验台

实验台搭建于一个面积为18 m2的普通办公房间。实验台的结构图和照片如图4所示。实验台房间中安装了一台风机盘管(FCU)和一台新风机,用以控制温度、湿度和室内空气品质。实验台安装有一套传感器,以测量室内环境的各项参数,包括干球温度、黑球温度、湿度、风速以及CO2浓度等;同时也对室外温度和湿度进行测量。实验台采用如图5所示的触屏式HMI,当实验对象感到太热太冷太干太湿吹风太闷等不舒适感时,通过该HMI将热感觉输入系统。

实验台结构图与照片
4 实验台结构图与照片
使用者用来输入热感觉的HMI
5 使用者用来输入热感觉的HMI

3.2 基于舒适感的控制逻辑

基于舒适感的控制逻辑包含以下三部分:

1)解释器:根据人的热感觉和相应的房间热环境参数,利用在线学习的算法得出人的热舒适区。针对该实验台,开发了两种在线学习热舒适模型,分别是个性化动态热舒适模型[2],以及分类器模型[3]

2)决策器:用于决定最节能的热环境控制参数设定值。在温湿度控制方案中,当使用者输入了热感觉后,与当前室内温湿度状态点距离最近的、处于热舒适区内的温湿度点即被决定为最优的设定点。

3)控制器:根据当前室内温湿度与所得设定值的偏差,向执行器传递动作指令。系统采用一对双PID控制器[4]来控制FCU的风机档位和水阀开度,从而调节室内温湿度使其接近设定值。

3.3 实验

实验包含三步:实验对象选取、实验、及实验后评价。

1)实验对象选取:选取实验对象时,采用了Cattell16种人格因素测验[5]。为了在实验中获取足够多的热感觉输入数据,笔者选取了敏感性、表达性、稳定性这三种人格因素得分较高的候选人作为合适的实验对象。总共选取了25位候选人参与实验,主要是大学生,且男女比例较平均。

2)实验:实验过程是让实验对象坐在实验台房间内进行日常工作(如写作业、看书等),当他们对热环境感到不满意时,就将他们的热感觉通过HMI输入系统。在初步的研究中,我们进行的是单人实验,而针对多人的实验将会是今后的研究内容。每位受试者都要参与24次实验,每次实验持续4小时,如早上8:0012:00,或是下午13:0017:00. 实验过程中,我们要求受试者在使用HMI输入热感觉的同时写下当时的热感觉。

3)实验后评价:每次实验后,实验对象需要对该控制系统的整体表现和热舒适模型预测精度做一评价。评价分数分别为:1(非常不满意)、2(不满意)、3(比较不满意)、4(一般)、5(比较满意)、6(满意)、7(非常满意)。

4 结果与讨论

6所示为针对两个典型受试者的实验结果。柱状图显示了每天当受试者感到不舒适时向系统输入热感觉的次数。为了检验受试者的输入是集中在过渡期(进入房间后30分钟内)还是集中在稳定期(进入房间30分钟后),本文将每天总的输入次数(绿色柱)和在稳定期内的输入次数(紫色柱)进行了比较,发现前者数量稍多于后者,但相差不大,说明二阶段的在线学习算法能够得到使用户更为满意的控制效果,但不考虑过渡期的一阶段算法也不会比二阶段算法差得太多。

6中,蓝色菱形折线表示受试者对该控制系统性能的总体评价,红色方块折线则是对热舒适模型预测精度的评价。两条折线的趋势均显示出,随着在线学习过程的进行,受试者的满意度也越来越高。在经过三到四天的在线学习后,评估分数逐渐趋于稳定,处在6分和7分(即满意非常满意)之间。这表明在三到四天的在线学习后,热舒适模型逐渐趋于稳定,并且能够较准确地预测热舒适区域。实验结果也表明这种基于舒适感的控制方法能够满足房间使用者的需求,在实际应用中具有可行性。

两个典型受试者的实验结果(热不舒适感输入次数和实验后评价)
6 两个典型受试者的实验结果(热不舒适感输入次数和实验后评价)

5 结论

本文提出了一种新的基于舒适感的室内热环境控制理念,以解决现有的温度设定方式可能带来的温度设定值不合理及由此造成的室内环境不舒适、能源浪费等问题。该控制理念的主要特点是根据房间使用者的热舒适感觉来控制室内热环境,而房间用户并不直接对温度设定值进行设置。该控制方法使用在线学习的算法来实现动态的、个性化的热舒适控制。本文通过实验验证了该控制方法的可行性。实验结果表明在经过三到四天的在线学习后,热舒适模型便能够准确地预测某用户的热舒适区,受试者对这种基于舒适感的控制方法及对热舒适模型预测精度的评价均位于“满意”和“非常满意”的位置,表明本文提出的控制方法能够得到较好的控制效果,在实际应用中具有可行性。

致谢

感谢清华大学—联合技术公司建筑节能、安全、控制联合研究中心的支持。

参考文献

    [1] ASHRAE (1995) Standard 55a-1995. Thermal environmental conditions for human occupancy, American Society of Heating, Refrigerating and Air–Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA.

    [2] Qianchuan Zhao, Yin Zhao, Fulin Wang, Yi Jiang, Fan Zhang, Preliminary study of learning individual thermal complaint behavior using one-class classifier for indoor environment control, Building and Environment, Vol. 72 (2014), pp. 201-211.

    [3] Qianchuan Zhao, Yin Zhao, Fulin Wang, Jinlong Wang, Yi Jiang, Fan Zhang, A data-driven method to describe the personalized dynamic thermal comfort in ordinary office environment: From model to application, Building and Environment, Vol. 72 (2014), pp. 309-318.

    [4] Zheliang Chen, Pinshu Yang, Fulin Wang, Study on the Optimal Control Strategy for Condensing Side of Chiller Systems, Proceedings of the 8th International Symposium on Heating, Ventilation and Air Conditioning, October 19-21, 2013, Xian, China, Volume 3, pp. 187-195

[5] Cattell, R. B. The description and measurement of personality. New York, NY: Harcourt, Brace, & World. (1946).

   备注:本文收录于2014年第十九届全国暖通空调制冷学术年会论文集

本站内容未经协议授权不得转载、链接或以其他方式复制发布/发表,违者本网将依法追究责任。

 

您是本站第 位访客    版权所有:中国暖通空调网        京ICP备10045562号-15    京公网安备11010502023352
地址:北京市朝阳区北三环东路30号中国建筑科学研究院  邮编:100013       E-mail:chvac2008@sina.com