CN113669847A - 一种室内热环境全自动节能控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种室内热环境全自动节能控制装置及其控制方法，所述装置包括：空气参数检测单元、主控模块、空调控制模块以及风扇控制模块；所述主控模块分别连接所述空气参数检测单元、空调控制模块以及风扇控制模块；所述空调控制模块，用于预存空调遥控器红外编码，以及控制空调运行模式；所述风扇控制模块，用于预存风扇遥控器红外编码，以及控制风扇运行模式；能迅速寻找到空调温度与风扇转速的最优组合，快速满足人们对室内热环境舒适度的要求。

Description

一种室内热环境全自动节能控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种室内热环境全自动节能控制装置及其控制方法。
背景技术
日益增长的建筑能耗是我国能源消费结构的重要组成部分，其中空调能耗约占建筑总能耗的40％。在保障热舒适的前提下，寻求空调能耗的降低途径或替代途径，是实现建筑节能的重要措施。
当前夏季室内热环境控制设备主要包括空调和电风扇。空调系统是利用制冷剂在封闭的制冷系统中，反复地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，不断地在蒸发器处吸热汽化，进行制冷降温。当空调设置温度越高、越接近室外温度，空调压缩机的功耗越小。电风扇是利用通电线圈在磁场中受力而转动，从而令风扇叶片转动，来达到使空气加速流通的家用电器，达到流通空气的效果。电风扇工作原理简单，能从一定程度上改善室内热舒适，而且相比空调更加节能。
然而，采用空调系统能使室内达到适宜的热舒适水平，但是需要支付较高的能耗代价；采用电风扇纳凉能耗较低，但在酷暑时节室内温度较高情况下无法降低室内温度，能达到的室内热舒适水平非常有限。当前通风空调系统对室内热环境的控制，主要以空调回风口温度为目标，而忽略了回风口温度与实际室内人员工作区温度存在偏差，且不同相对湿度环境下的空气流速等其他室内空气参数对人体热舒适也存在影响。若想同时满足舒适度和节能要求，常常需要人为手动分别调节空调设置温度与风扇转速。这种调节方式需要靠个人反复感受不同空气温度与空气流速间的组合搭配来寻找舒适的设定值，过程繁琐且不准确，难以在保障热舒适的前提下，达到最佳的节能效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种室内热环境全自动节能控制装置及其控制方法，克服空调运行能耗较高与电风扇在温度较高室内状态点下无法实现人体热舒适的问题，以及当前主要通过空调设备对室内热环境的控制通常仅以空气温度为控制目标的不足。
本发明之一是这样实现的：一种室内热环境全自动节能控制装置，包括空气参数检测单元、主控模块、空调控制模块以及风扇控制模块；
所述主控模块分别连接所述空气参数检测单元、空调控制模块以及风扇控制模块；
所述空调控制模块，用于预存空调遥控器红外编码，以及控制空调运行模式；
所述风扇控制模块，用于预存风扇遥控器红外编码，以及控制风扇运行模式。
进一步地，还包括操作输入模块，所述操作输入模块连接至所述主控模块。
进一步地，还包括显示模块，所述显示模块连接所述主控模块。
进一步地，所述空气参数检测单元包括温湿度传感器以及风速传感器，所述温湿度传感器以及风速传感器均连接至所述主控模块。
本发明之二是这样实现的：一种室内热环境全自动节能控制方法，所述方法包括一控制装置，所述装置包括：空气参数检测单元、主控模块、空调控制模块以及风扇控制模块；将所述装置放置于工作区，具体包括如下步骤：
空气参数检测单元实时检测室内温度和相对湿度；
当空气参数检测单元检测到室内温度小于所设的空调启动温度，且大于风扇启动温度时，主控模块通过风扇控制模块开启风扇；主控模块根据空气参数检测单元实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元检测到室内温度大于等于所设的空调开启温度时，主控模块分别通过空调控制模块以及风扇控制模块开启空调与风扇，使室内温度下降并保持在空调开启温度，同时主控模块根据空气参数检测单元实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元检测到室内温度小于等于风扇启动温度时，则不启动空调，也不启动风扇。
进一步地，还包括操作输入模块，所述操作输入模块连接至所述主控模块；通过所述操作输入模块将空调启动温度以及风扇启动温度进行输入，并存储至主控模块；且通过所述操作输入模块控制空调控制模块以及风扇控制模块进入学习模式。
进一步地，还包括显示模块，所述显示模块连接所述主控模块；用于显示温度、空气流速、相对湿度、风扇启动温度、空调启动温度以及空调、风扇控制模块是否为学习模式与当前学习状态。
进一步地，所述空气参数检测单元包括温湿度传感器以及风速传感器，所述温湿度传感器以及风速传感器均连接至所述主控模块；所述温湿度传感器用于收集温度以及相对湿度，并发送至主控模块；所述风速传感器用于收集空气流速，并发送至主控模块。
进一步地，所述空调控制模块用于控制空调的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及温度设置，所述空调控制模块预存空调遥控器红外编码，若预存均无法适配空调，则设置空调控制模块进入学习模式，将原配空调遥控器对准所述空调控制模块，按下按键进行学习，该空调控制模块将按键的红外编码依次保存；
进一步地，所述风扇控制模块用于控制风扇的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及转速档位调节，所述风扇控制模块预存风扇遥控器红外编码，若预存均无法适配电风扇，则设置风扇控制模块进入学习模式，将原配电风扇遥控器对准该模块，按下按键进行学习，该模块将按键的红外编码依次保存。
本发明的优点在于：实时检测室内温度、空气流速和相对湿度，以人体舒适度为控制目标，合理地联动控制空调与风扇，通过风扇调风辅助空调的形式，强化电风扇在控制室内热环境舒适度方面的作用，适当将室内空调设置温度调高，有效降低空调能源消耗，实现建筑节能，减少碳排放。同时在主控模块微秒级的逻辑运算速度下，能迅速寻找到空调温度与风扇转速的最优组合，快速满足人们对室内热环境舒适度的要求。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是为本发明一种室内热环境全自动节能控制装置的示意图。
图2是本发明一种室内热环境全自动节能控制装置的大样图。
图3是本发明一种室内热环境全自动节能控制装置的布置图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明一种室内热环境全自动节能控制装置，包括空气参数检测单元1、操作输入模块2、主控模块3、空调控制模块4、风扇控制模块5、显示模块6。
所述空气参数检测单元1用于检测室内温度Ts、空气流速Vs、相对湿度RH等各项室内空气参数，空气参数检测单元1具体包括温湿度传感器11以及风速传感器12，检测单元通常放置于室内工作区，尽量靠近人员；
所述操作输入模块2用于设置风扇启动温度Tf、空调启动温度Ta等参数，以及保存自定义模式、设置空调控制模块与风扇控制模块进入学习模式、选择是否启用节能模式等，具体可以为按键输入、触摸屏等；
所述主控模块3用于接收检测到的空气参数和操作输入等输入信号，以人体热舒适度为控制目标，从而输出控制信号给空调控制模块4和风扇控制模块5，进而控制空调与风扇，具体可以为AT89C52单片机或STM32单片机等；
所述空调控制模块4用于控制空调的运行模式(例如但不限于启动、停止、温度设置等)，该模块预存有市面上大部分主流品牌的空调遥控器红外编码，若预存均无法适配空调，可以通过操作输入模块2进入学习模式，将原配空调遥控器对准该模块，按下“启动”、“停止”、“温度设置”等按键进行学习，该模块会将这些按键的红外编码依次保存，最后归类保存在“自定义空调遥控”中，所述空调控制模块4可以由STC11F02E-SOP16或STC8F1K08等芯片作为主控芯片组成；
所述风扇控制模块5用于控制风扇的运行模式(例如但不限于启动、停止、转速档位调节等)，该模块预存有市面上大部分主流品牌的风扇遥控器红外编码，若预存均无法适配电风扇，可以通过操作输入模块2进入学习模式，将原配电风扇遥控器对准该模块，按下“启动”、“停止”、“转速档位调节”等按键进行学习，该模块会将这些按键的红外编码依次保存，最后归类保存在“自定义风扇遥控”中，所述风扇控制模块5可以由STC11F02E-SOP16或STC8F1K08等芯片作为主控芯片组成；
所述显示模块6用于展示温度Ts、空气流速Vs、相对湿度RH、风扇启动温度Tf、空调启动温度Ta等信息。
参阅图1、图2、图3，当本发明装置开启后，通过操作输入模块2选择进入全自动节能控制模式，装置依据主控模块3计算出来的人体热舒适定量指标来联动调节空调与风扇。本发明实施例依据在热舒适评价方法的相关研究中，最具代表性的PMV热舒适评价指标进行控制。PMV指标综合考虑了空气温度、空气流速、相对湿度和平均辐射温度等在内的室内环境因素和人体代谢率、服装热阻等人体指标等因素，反映了对同一环境绝大多数人的舒适感觉。当|PMV|≤0.5时，人体处于一级热舒适等级。通过使用电风扇增加空气流速的形式，提高空调设置温度，使PMV越接近0.5，则对节能越有利。
PMV计算过程可参考《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB50785-2012,在计算过程中的所需的室内环境参数通过空气参数监测单元获得，考虑夏季围护结构内表面温度将平均辐射温度近似简化为室内空气温度+2℃。所需的人体指标根据不同场合下对人体活动情况、着衣情况做近似处理，如本发明实施例采用如取常见办公环境中坐着活动(站着休息)的人体代谢率为70W/m2，外部做功消耗W＝0，夏季常规着装的服装热阻为0.5clo。
将温度T、空气流速V、相对湿度RH作为输入参数与控制量，进行热舒适的控制逻辑设计。虽然目前已有少部分空调使用PMV指标算法进行控制，但其对室内空气参数的测量点多位于空调回风口附近，无法准确代表室内人员工作区热环境，计算结果存在较大偏差。而本装置体积较小，移动便捷，可以放置于室内人员工作区内，其控制结果更加贴近人体热舒适。根据室内不同的热环境状况，经主控模块3计算出来的人体热舒适定量指标，通过空调控制模块4和风扇控制模块5控制空调和风扇，实现在保证室内人体热舒适度的前提下，降低调节室内热环境产生的能耗。
开启节能控制模式后，当空气参数检测单元1检测到室内温度Ts低于操作输入模块2所设的风扇启动温度Tf(例选取26℃)时，装置向空调控制模块4、风扇控制模块5发出控制信号，关闭空调与风扇。装置进入监测状态，实时监测室内空气参数，若室内热环境发生改变则及时做出相应的控制动作。
当空气参数检测单元1检测到室内温度Ts低于操作输入模块2所设的空调启动温度Ta(例选取28℃)而高于风扇启动温度Tf(例选取26℃)时，装置通过风扇控制模块5开启风扇。主控模块3根据空气参数检测单元1实时检测到的室内温度Ts、室内相对湿度RH，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速Vm，从而输出控制信号给风扇控制模块5，进而控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速Vs接近目标空气流速Vm并实时矫正。通过检测工作区的空气流速作为反馈能更好地使风扇保持在最佳的转速或转速档位上，最终使得控制结果更加符合人体热舒适度要求；空气参数检测单元1实时监测室内热环境是否发生变化，若发生变化则及时做出相应调整以保障热舒适度的稳定。
当空气参数检测单元1检测到室内温度Ts高于操作输入模块2所设的空调开启温度Ta(例选取28℃)时，装置开启空调与风扇。空调使室内温度下降并保持在Ta(28℃)，同时实时控制风扇转速使工作区空气流速Vs接近最符合舒适度的目标空气流速Vm。在空调降低室内温度的过程中，需要一段冷空气扩散的时间，装置会实时检测室内温度Ts和相对湿度RH，在保障环境舒适的前提下控制相应的风扇转速加速室内空气流动强化换热。随着室内温度的下降，风扇的转速也由高逐步降低，保证调节过程也尽量避免短暂的、局部过大的吹风感。空气参数检测单元1实时监测室内热环境是否发生变化，若发生变化则及时做出相应调整以保障热舒适度的稳定。
相比仅采用空调制冷，通过在空调房内辅以电风扇调风措施，适当将室内温度设置调高，依然能满足人体热舒适要求，所以空调开启温度Ta可以根据日常仅使用空调时的设置温度基础上再提高1-2℃进行设置。通过本发明装置全自动节能控制，强化电风扇调风作用，提高空调设置温度，在达到同等热舒适的前提下，实现了较大程度的建筑室内热环境的节能控制。
室内热环境的舒适度是主观性的，一种控制方式必然无法满足所有群体的热舒适要求。对于控制结果与自身热舒适要求仍存在偏差的群体，可以通过操作输入模块2来调节装置相关参数。对控制结果感觉偏热的人，可以调低空调启动温度Ta或调低风扇启动温度Tf或调高风扇“最终风速”或同时调整以上3个参数；对控制结果感觉偏冷的人，可以调高空调启动温度Ta或调高风扇启动温度Tf或降低风扇“最终风速”或同时调整以上3个参数。同时装置还具有记忆功能，用户通过操作输入模块2可以一键保存当前舒适的空调启动温度Ta、风扇启动温度Tf、“最终温度”、“最终风速”等参数，参数将被保存在“自定义模式”中，下次使用时可直接调用相应的“自定义模式”，从而满足不同场合不同用户对室内热环境要求不同的情况。“自定义模式”可保存的组数可根据装置储存空间大小设置，不作限制。
所述空气参数检测单元例如但不限于温度传感器、风速传感器、湿度传感器中的一种或多种，所检测的空气参数例如但不限于室内空气温度、空气流速、空气相对湿度等各类影响到人体热舒适指标的空气参数；
所述空气参数检测单元放置于不同场所下靠近人体工作区，如办公室的办公桌上、住宅客厅的茶几上、卧室的床头、工厂操作台附近的安全位置，对于人体活动量越大的场合，舒适度与节能效果越显著；
所述空气参数检测单元与主控模块连接方式例如但不限于有线连接、无线连接；
所述操作输入模块例如但不限于按键输入、触摸屏输入、语言输入等；
所述操作输入模块与主控模块连接方式例如但不限于有线连接、无线连接；
所述主控模块例如但不限于单片机；
所述主控模块计算的人体热舒适指标例如但不限于PMV-PPD、SET、ASHRAE标度、ISO标准、贝式标度等在内的定量表示不同场合下人体热舒适状态的指标；
所述操作输入模块、显示模块、控制模块可与不同平台搭配，不作限制，例如但不限于PC、手机APP、微信小程序等平台中的一种或多种；
所述空调控制模块用于控制空调模式(例如但不限于启动、停止、温度设置等)，功能实现方式例如但不限于红外控制、频射控制等；
所述风扇控制模块用于控制风扇模式(例如但不限于启动、停止、转速档位设置等)，功能实现方式例如但不限于红外控制、频射控制、继电器控制等；
所述空调控制模块、风扇控制模块与主控模块连接方式例如但不限于有线连接、无线连接；
所述空调控制模块的控制对象可以利用现有设备，也可以新增空调设备，例如但不限于各类集中式空调、半集中式空调、分散式空调等；
所述风扇控制模块的控制对象可以利用现有设备，也可以新增风扇设备，例如但不限于各类吊扇、落地扇、壁扇、摇头扇、无叶风扇等；
所述显示模块例如但不限于液晶显示器、触摸屏显示器、数码管等。
本发明一种室内热环境全自动节能控制装置，包括空气参数检测单元1、主控模块3、空调控制模块4以及风扇控制模块5；
所述主控模块3分别连接所述空气参数检测单元1、空调控制模块4以及风扇控制模块5；
所述空调控制模块4，用于预存空调遥控器红外编码，以及控制空调运行模式；
所述风扇控制模块5，用于预存风扇遥控器红外编码，以及控制风扇运行模式。
另一优选实施例，还包括操作输入模块2，所述操作输入模块2连接至所述主控模块3。
另一优选实施例，还包括显示模块6，所述显示模块6连接所述主控模块3。
另一优选实施例，所述空气参数检测单元1包括温湿度传感器11以及风速传感器12，所述温湿度传感器11以及风速传感器12均连接至所述主控模块3。
本发明一种室内热环境全自动节能控制方法，所述方法包括一控制装置，所述装置包括：空气参数检测单元1、主控模块3、空调控制模块4以及风扇控制模块5；将所述装置放置于工作区，具体包括如下步骤：
空气参数检测单元1实时检测室内温度和相对湿度；
当空气参数检测单元1检测到室内温度小于所设的空调启动温度，且大于风扇启动温度时，主控模块3通过风扇控制模块5开启风扇；主控模块3根据空气参数检测单元1实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块5，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元1检测到室内温度大于等于所设的空调开启温度时，主控模块3分别通过空调控制模块4以及风扇控制模块5开启空调与风扇，使室内温度下降并保持在空调开启温度，同时主控模块3根据空气参数检测单元1实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块5，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元1检测到室内温度小于等于风扇启动温度时，则不启动空调，也不启动风扇。
另一优选实施例，还包括操作输入模块2，所述操作输入模块2连接至所述主控模块3；通过所述操作输入模块2将空调启动温度以及风扇启动温度进行输入，并存储至主控模块3；且通过所述操作输入模块控制空调控制模块以及风扇控制模块进入学习模式。
另一优选实施例，还包括显示模块6，所述显示模块6连接所述主控模块3；用于显示温度、空气流速、相对湿度、风扇启动温度、空调启动温度以及空调、风扇控制模块是否为学习模式与当前学习状态，其中当前学习状态为空调控制模块和风扇控制模块红外线学习是否成功。
另一优选实施例，所述空气参数检测单元1包括温湿度传感器11以及风速传感器12，所述温湿度传感器11以及风速传感器12均连接至所述主控模块3；所述温湿度传感器11用于收集温度以及相对湿度，并发送至主控模块3；所述风速传感器12用于收集空气流速，并发送至主控模块3。
另一优选实施例，所述空调控制模块4用于控制空调的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及温度设置，所述空调控制模块4预存空调遥控器红外编码，若预存均无法适配空调，则设置空调控制模块进入学习模式，将原配空调遥控器对准所述空调控制模块，按下按键进行学习，该空调控制模块4将按键的红外编码依次保存；
另一优选实施例，所述风扇控制模块5用于控制风扇的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及转速档位调节，所述风扇控制模块5预存风扇遥控器红外编码，若预存均无法适配电风扇，则设置风扇控制模块进入学习模式，将原配电风扇遥控器对准该模块，按下按键进行学习，该模块将按键的红外编码依次保存。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：包括空气参数检测单元、主控模块、空调控制模块以及风扇控制模块；
所述主控模块分别连接所述空气参数检测单元、空调控制模块以及风扇控制模块；
所述空调控制模块，用于预存空调遥控器红外编码，以及控制空调运行模式；
所述风扇控制模块，用于预存风扇遥控器红外编码，以及控制风扇运行模式。
2.如权利要求1所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：还包括操作输入模块，所述操作输入模块连接至所述主控模块。
3.如权利要求1所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块连接所述主控模块。
4.如权利要求1所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：所述空气参数检测单元包括温湿度传感器以及风速传感器，所述温湿度传感器以及风速传感器均连接至所述主控模块。
5.一种室内热环境全自动节能控制方法，其特征在于：所述方法包括一控制装置，所述装置包括：空气参数检测单元、主控模块、空调控制模块以及风扇控制模块；将所述装置放置于工作区，具体包括如下步骤：
空气参数检测单元实时检测室内温度和相对湿度；
当空气参数检测单元检测到室内温度小于所设的空调启动温度，且大于风扇启动温度时，主控模块通过风扇控制模块开启风扇；主控模块根据空气参数检测单元实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元检测到室内温度大于等于所设的空调开启温度时，主控模块分别通过空调控制模块以及风扇控制模块开启空调与风扇，使室内温度下降并保持在空调开启温度，同时主控模块根据空气参数检测单元实时检测到的室内温度、室内相对湿度，通过PMV指标计算得出当下最符合舒适度的目标空气流速，从而输出控制信号给风扇控制模块，控制风扇达到相应转速档位使工作区空气流速最接近目标空气流速；
当空气参数检测单元检测到室内温度小于等于风扇启动温度时，则不启动空调，也不启动风扇。
6.如权利要求5所述的一种室内热环境全自动节能控制方法，其特征在于：还包括操作输入模块，所述操作输入模块连接至所述主控模块；通过所述操作输入模块将空调启动温度以及风扇启动温度进行输入，并存储至主控模块；且通过所述操作输入模块控制空调控制模块以及风扇控制模块进入学习模式。
7.如权利要求5所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块连接所述主控模块；用于显示温度、空气流速、相对湿度、风扇启动温度、空调启动温度以及空调、风扇控制模块是否为学习模式与当前学习状态。
8.如权利要求5所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：所述空气参数检测单元包括温湿度传感器以及风速传感器，所述温湿度传感器以及风速传感器均连接至所述主控模块；所述温湿度传感器用于收集温度以及相对湿度，并发送至主控模块；所述风速传感器用于收集空气流速，并发送至主控模块。
9.如权利要求5所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：所述空调控制模块用于控制空调的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及温度设置，所述空调控制模块预存空调遥控器红外编码，若预存均无法适配空调，则设置空调控制模块进入学习模式，将原配空调遥控器对准所述空调控制模块，按下按键进行学习，该空调控制模块将按键的红外编码依次保存。
10.如权利要求5所述的一种室内热环境全自动节能控制装置，其特征在于：所述风扇控制模块用于控制风扇的运行模式，所述运行模式包括启动、停止以及转速档位调节，所述风扇控制模块预存风扇遥控器红外编码，若预存均无法适配电风扇，则设置风扇控制模块进入学习模式，将原配电风扇遥控器对准该模块，按下按键进行学习，该模块将按键的红外编码依次保存。
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