CN112032970B - 一种基于体表温度监测的智能空调调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于体表温度监测的智能空调调控方法,包括:基于室内空气温度ta及室内辐射温度tr计算夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn;基于用户表面实际温度tcl,以及夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn计算夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw;调用季节信息,基于季节信息对应的夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw对空调进行控制。本发明基于人体热舒适的中性状态物理参数情况,分为夏季和冬季工况,分别基于体表温度与室温监测数据对空调进行控制,提高了室内空调温度设定点的控制精度和效率,可以更有效的指导空调运行与调控。
Description
技术领域
本发明涉及温度调节领域,具体涉及一种基于体表温度监测的智能空调调控方法。
背景技术
空调系统能耗占建筑能源消耗的30%以上,合理的空调调控方法对于人体舒适性和建筑节能都有着重要作用。
受到不同气候特征、服装饮食等风俗习惯、建筑类型、心理预期等等因素的影响,不同人群对室内温度的需求有较大的差异。而目前市场上大部分空调需要用户自己来设定室内温度设定值,对于残疾人、老年人和儿童等不便自身主动调节空调温度的特殊人群十分不友好。因此,急需可以依据客观参数来自动空调温度设定的调节方法。少部分智能空调控制系统依据PMV方程等进行室内温度调节,但方程中的输入参数多达六项,在保持良好效果的前提下运行和维护成本高昂,难以大规模普及。随着物联网技术的发展,也有部分发明提出了基于红外摄像头获取人体表面温度的空调控制方法,从而试图直接通过体表温度判断人体的热舒适状态,方法相对便捷和高效,但体表温度与人体热舒适状态不是简单的线性关系,仅依靠体表温度进行空调器温度调节往往会产生误差。现有发明缺乏科学准确的体表温度与人体热舒适的定量关联方法,且没有区别季节差异性,难以具体操作来实际满足人体的热舒适需求。
综上所述,如何在考虑季节差异的情况下,科学准确的实现空调的自动调节,满足人体的热舒适需求,成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明实际解决的问题是:如何在考虑季节差异的情况下,科学准确的实现空调的自动调节,满足人体的热舒适需求。
为解决上述技术问题,本发明采用了如下的技术方案:
一种基于体表温度监测的智能空调调控方法,包括:
S1、采集用户表面实际温度tcl;
S2、采集室内空气温度ta及室内辐射温度tr;
S3、基于室内空气温度ta及室内辐射温度tr计算夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn;
S4、基于用户表面实际温度tcl,以及夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn计算夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw;
S5、调用季节信息,基于季节信息对应的夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw对空调进行控制。
优选地,采用红外摄像传感器采集用户表面实际温度tcl时,户表面温度tcl为用户全身像素点温度数据的平均值,用户全身像素点包括着装部分和裸露部分;
采用单点式测量仪器采集用户表面实际温度tcl时,tcl按下式计算:
tcl=0.07t头+0.35t躯干+0.12t胳膊+0.26t大腿+0.2t小腿
或tcl=0.34+0.5t上半身服装+0.4t下半身服装
式中,t头表示用户头部温度,t躯干表示用户躯干温度,t胳膊表示用户胳膊温度,t大腿表示用户大腿温度,t小腿表示用户小腿温度,t上半身服装表示上半身服装表面温度,t下半身服装表示下半身服装表面温度,0.34为裸露皮肤温度权重值。
优选地,步骤S2包括:
S201、采集室内距离外窗0.5m处的光照强度值,或外窗内侧表面温度tb;
S202、若采集室内光照强度值,小于或等于预设光照强度阈值时,则tr=ta,否则tr=ta+2;
若采集外窗内侧表面温度tb,则tr=ta+0.2*(tb-ta)。
优选地,夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn和冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn按下式计算:
tsn=34-0.34·{10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+(tsn-ta)}+b
twn=33-0.71·{10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+(twn-ta)}+b
式中,b为调节值。
优选地,夏季温度控制值CSs和冬季温度控制值CSw按下式计算:
CSs=[1.33·exp-0.04+0.123]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]-10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+tcl-tsn}
CSw=[1.39·exp-0.04+0.129]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]-10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+tcl-twn}
式中,exp表示以自然常数e为底的指数函数。
优选地,步骤S5中,当-X≤CSs≤X或-X≤CSw≤X时,温度设定值Ts保持不变;否则,温度设定值Ts=ta-CSs/G,或者Ts=ta-CSw/G,X表示调控信号设定阈值,G表示无量纲常量。
优选地,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
优选地,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用单次简单控制模式或采用多次加权控制模式但首次接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5;
S8、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用多次加权控制模式,历史上接收到用户输入的空调温度设定点的次数大于1,当前次数计为第n次,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,基于所有历史上的tz进行时间加权平均计算得到热舒适状态的加权平均体表温度参考值trm,不同的tz权重值与距离当前时刻的时长成反比;到达第二预设时长后,以用户表面温度trm作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
优选地,将接收到的用户前i次输入的空调温度设定点后得到的夏季人体热舒适状态下表面温度参考值tsn或冬季人体热舒适状态下表面温度参考值twn记为tod-i,trm按下式计算:
式中,α为小于1的常数,n为接收到用户输入的空调温度设定点的总次数。
综上所述,与现有技术相比,本发明基于人体热舒适的中性状态物理参数情况,分为夏季和冬季工况,分别给出了基于体表温度与室温监测数据的空调控制信号定量关系式,提高了室内空调温度设定点的控制精度和效率。本发明了提供了空调温度调控依据,增强了其调控逻辑,同时加入人体反馈调节方法,可以更有效的指导空调运行与调控。为残疾人、老年人和儿童等不便自身主动调节空调温度的特殊人群室内热环境营造起到了极大帮助。实验证明,相对于传统控制模型,本发明的调控方法精确度提高了10%以上。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:
图1为本发明公开的一种基于体表温度监测的智能空调调控方法的一种具体实施方式的流程图;
图2为本发明公开的一种基于体表温度监测的智能空调调控方法的另一种具体实施方式的流程图;
图3为本发明公开的一种基于体表温度监测的智能空调调控方法的另一种具体实施方式的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,本发明公开了一种基于体表温度监测的智能空调调控方法,包括:
S1、采集用户表面实际温度tcl;
S2、采集室内空气温度ta及室内辐射温度tr;
S3、基于室内空气温度ta及室内辐射温度tr计算夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn;
S4、基于用户表面实际温度tcl,以及夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn计算夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw;
S5、调用季节信息,基于季节信息对应的夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw对空调进行控制。
与现有技术相比,本发明基于人体热舒适的中性状态物理参数情况,分为夏季和冬季工况,分别给出了基于体表温度与室温监测数据的空调控制信号定量关系式,提高了室内空调温度设定点的控制精度和效率。本发明了提供了空调温度调控依据,增强了其调控逻辑,同时加入人体反馈调节方法,可以更有效的指导空调运行与调控。为残疾人、老年人和儿童等不便自身主动调节空调温度的特殊人群室内热环境营造起到了极大帮助。实验证明,相对于传统控制模型,本发明的调控方法精确度提高了10%以上。
具体实施时,采用红外摄像传感器采集用户表面实际温度tcl时,户表面温度tcl为用户全身像素点温度数据的平均值,用户全身像素点包括着装部分和裸露部分;
采用单点式测量仪器采集用户表面实际温度tcl时,宜按不同测点所在区域的面积进行加权计算,用户表面实际温度tcl可按如下式计算:
tcl=0.07t头+0.35t躯干+0.12t胳膊+0.26t大腿+0.2t小腿
或tcl=0.34+0.5t上半身服装+0.4t下半身服装
式中,t头表示用户头部温度,t躯干表示用户躯干温度,t胳膊表示用户胳膊温度,t大腿表示用户大腿温度,t小腿表示用户小腿温度,t上半身服装表示上半身服装表面温度,t下半身服装表示下半身服装表面温度,0.34为裸露皮肤温度权重值。
在有阳光时,辐射温度不等于空气温度。辐射换热占人体换热量的30%左右,与对流换热同样重要。
而直接测量辐射温度需要黑球温度仪,成本较高(多达数万元)且占用室内空间,在实际智能空调应用中也很少能够使用这些仪器测量,因此,一般智能空调的辐射温度被设定为等于空气温度,造成了辐射换热计算误差,并不能很好的实现智能控制效果。
因此,在本发明中,具体实施时,步骤S2包括:
S201、采集室内距离外窗0.5m处的光照强度值,或外窗内侧表面温度tb;
S202、若采集室内光照强度值,小于或等于预设光照强度阈值时,则tr=ta,否则tr=ta+2;
若采集外窗内侧表面温度tb,则tr=ta+0.2*(tb-ta)。
本发明还对PMV公式中的服装热阻、服装因子和对流传热系数等通过经验设定了默认值进行简化,便于计算和应用,因此,具体实施时,夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn和冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn按下式计算:
tsn=34-0.34·{10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+(tsn-ta)}+b
twn=33-0.71·{10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+(twn-ta)}+b
式中,b为调节值,表示不同气候区的差异调节。34+b为夏季中性皮肤温度默认值,33+b为冬季中性皮肤温度默认值,由于人体冷适应性,冬季皮肤温度中性值要小于夏季,而这在原PMV方程中没有区分。
在本发明中,设定最初中性状态的人体平均皮肤温度,其中夏季为34,冬季为33。这个公式算的就是不同情况下的中性状态体表(服装)温度。
因为,只有人体平均皮肤温度才能代表人的热舒适状态。而服装表面温度并不能代表人的热舒适状态,只有和相应服装热阻和传热系数结合才能知道相应的热舒适状态。
温度控制值CS可按下式进行计算:
CS=a·(H实测估算值-H舒适理论值)
式中,a为主观系数控制项,为热损失差异项,H实测估算值为根据人体表面温度实测数据估算的人体显性散热量,包括辐射和对流散热量,单位W/m2,H舒适理论值为根据人体热中性状态下物理参数计算的理论上人体热舒适时的显性散热量,也包括辐射和对流散热量,单位W/m2。因此,当H实测估算值越接近于H舒适理论值时,人体就越接近于热中性的舒适状态,即CS数值越小,人体越舒适。夏季控制系数as=[1.33·exp-0.04+0.123]/K及冬季控制系数aw=[1.39·exp-0.04+0.129]/K。其中各参数值可以根据实际情况在增减20%的比例范围内自行调节设定。K表示调节系数。
H实测估算值=K·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]+tcl-ta}
H理论设计值=K·{10-8·[(tn+273)4-(tr+273)4]+tn-ta}
tn根据季节的不同可以分为tsn和twn。
综上所述,具体实施时,夏季温度控制值CSs和冬季温度控制值CSw按下式计算:
CSs=[1.33·exp-0.04+0.123]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]
-10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+tcl-tsn}
CSw=[1.39·exp-0.04+0.129]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]
-10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+tcl-twn}
式中,exp表示以自然常数e为底的指数函数。
即夏季主观控制系数as=[1.33·exp-0.04+0.123]/K及冬季主观控制系数aw=[1.39·exp-0.04+0.129]/K。
H实测估算值=K·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]+tcl-ta}
H理论设计值=K·{10-8·[(tn+273)4-(tr+273)4]+tn-ta}
其中各参数值可以根据实际情况在增减20%的比例范围内自行调节设定。
现有智能空调控制方法的PMV公式需要空气温度、辐射温度、湿度、风速和服装热阻、代谢率等输入参数才可以精确的计算人体热感觉。采集测量这些参数的设备成本高,很难实现。
而本发明只需要空气温度、辐射温度和人体表面温度就可以产生较为精确的智能空调调节信号,且测量成本低,并对冬夏季进行了简化区分,操作上更为方便。
具体实施时,步骤S5中,当-X≤CSs≤X或-X≤CSw≤X时,温度设定值Ts保持不变;否则,温度设定值Ts=ta-CSs/G,或者Ts=ta-CSw/G,X表示调控信号设定阈值,G表示无量纲常量。
本发明中,X的取值范围可为0.2-2.0之间,由用户事先设定,推荐值为0.5-1.0。G为常数,推荐值为0.5。
如图2所示,作为本发明的另一种实施方式,在上述实施方式的基础上,具体实施时,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长(可取值为60分钟)后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
若用户输入了空调温度设定点,则先按照用户输入的空调温度设定点进行控制。然后,在一段时间内,根据用户输入的空调温度设定点计算温度控制值,并基于计算得到的温度控制值进行控制,在达到一定时间后,再按照原有设定的方式进行控制。这样,可以增强对个别用户的适应性。
如图3所示,作为本发明的另一种实施方式,在上述实施方式的基础上,具体实施时,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用单次简单控制模式或采用多次加权控制模式但首次接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
S8、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用多次加权控制模式,历史上接收到用户输入的空调温度设定点的次数大于1,当前次数计为第n次,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,基于所有历史上的tz进行时间加权平均计算得到热舒适状态的加权平均体表温度参考值trm,不同的tz权重值与距离当前时刻的时长成反比;到达第二预设时长后,以用户表面温度trm作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
具体实施时,将接收到的用户前i次输入的空调温度设定点后得到的夏季人体热舒适状态下表面温度参考值tsn或冬季人体热舒适状态下表面温度参考值twn记为tod-i,trm按下式计算:
式中,α为小于1的常数,n为接收到用户输入的空调温度设定点的总次数。
此外,在本发明中,还可在室内设置人体感应系统,当感应到室内有人时才开启空调并按照本发明公开的方法对空调进行控制,若室内无人,则使空调系统关闭。人体感应系统可采用红外线感应器。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述,但本领域的普通技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,包括:
S1、采集用户表面实际温度tcl;
S2、采集室内空气温度ta及室内辐射温度tr;
S3、基于室内空气温度ta及室内辐射温度tr计算夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn;
S4、基于用户表面实际温度tcl,以及夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn计算夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw;
夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn和冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn按下式计算:
tsn=34-0.34·{10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+(tsn-ta)}+b
twn=33-0.71·{10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+(twn-ta)}+b
式中,b为调节值;
夏季温度控制值CSs和冬季温度控制值CSw按下式计算:
CSs=[1.33·exp-0.04+0.123]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]-10-8·[(tsn+273)4-(tr+273)4]+tcl-tsn}
CSw=[1.39·exp-0.04+0.129]·{10-8·[(tcl+273)4-(tr+273)4]-10-8·[(twn+273)4-(tr+273)4]+tcl-twn}
式中,exp表示以自然常数e为底的指数函数;
S5、调用季节信息,基于季节信息对应的夏季温度控制值CSs或冬季温度控制值CSw对空调进行控制。
2.如权利要求1所述的基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,采用红外摄像传感器采集用户表面实际温度tcl时,用户表面实际温度tcl为用户全身像素点温度数据的平均值,用户全身像素点包括着装部分和裸露部分;
采用单点式测量仪器采集用户表面实际温度tcl时,tcl按下式计算:
tcl=0.07t头+0.35t躯干+0.12t胳膊+0.26t大腿+0.2t小腿
或tcl=0.34+0.5t上半身服装+0.4t下半身服装
式中,t头表示用户头部温度,t躯干表示用户躯干温度,t胳膊表示用户胳膊温度,t大腿表示用户大腿温度,t小腿表示用户小腿温度,t上半身服装表示上半身服装表面温度,t下半身服装表示下半身服装表面温度。
3.如权利要求1所述的基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,步骤S2包括:
S201、采集室内距离外窗0.5m处的光照强度值,或外窗内侧表面温度tb;
S202、若采集室内光照强度值,小于或等于预设光照强度阈值时,则tr=ta,否则tr=ta+2;
若采集外窗内侧表面温度tb,则tr=ta+0.2*(tb-ta)。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,步骤S5中,当-X≤CSs≤X或-X≤CSw≤X时,温度设定值Ts保持不变;否则,温度设定值Ts=ta-CSs/G,或者Ts=ta-CSw/G,X表示调控信号设定阈值,X的取值范围为0.2-2.0,G表示无量纲常量,G的取值为0.5。
5.如权利要求4所述的基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
6.如权利要求5所述的基于体表温度监测的智能空调调控方法,其特征在于,所述基于体表温度监测的智能空调调控方法还包括:
S6、若在执行步骤S5后始终未接收到用户输入的空调温度设定点,执行步骤S5进行控制并运行第一预设时长后,返回执行步骤S1;
S7、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用单次简单控制模式或采用多次加权控制模式但首次接收到用户输入的空调温度设定点,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,到达第二预设时长后,以用户表面实际温度tz作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5;
S8、若在执行步骤S5后接收到用户输入的空调温度设定点,且采用多次加权控制模式,历史上接收到用户输入的空调温度设定点的次数大于1,当前次数计为第n次,则按照用户输入的空调温度设定点进行控制,开始记录第二预设时长的时间段内的用户表面平均温度tz,基于所有历史上的tz进行时间加权平均计算得到热舒适状态的加权平均体表温度参考值trm,不同的tz权重值与距离当前时刻的时长成反比;到达第二预设时长后,以用户表面温度trm作为新的夏季人体中性状态下表面温度理论计算值tsn或冬季人体中性状态下表面温度理论计算值twn,返回执行步骤S4至步骤S5。
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