CN201318769Y

CN201318769Y - 基于预计平均热感觉指数的空调节能控制系统

Info

Publication number: CN201318769Y
Application number: CNU2008202349483U
Authority: CN
Inventors: 裴念强; 程朋胜; 李铁牛; 郭宇红; 李信洪
Original assignee: Shenzhen Das Intellitech Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Das Intellitech Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2018-12-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于预计平均热感觉指数(PMV)的空调节能控制系统，所述系统中主要包括控制器、PMV传感器、CO₂浓度传感器、室外焓值(H1)传感器、室内焓值(H2)传感器、新风阀、盘管冷水阀、风机变频器。其中，所述控制器还包括PMV控制模块、节能控制模块，所述PMV传感器、所述CO₂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到所述控制器的模拟输入电路上，而新风阀、冷水阀以及风机变频器连接到所述控制器的模拟量输出电路上。本实用新型采用模糊控制方法实现环境PMV的调节并通过监测CO₂浓度实现空气质量的改善，使得系统可实现热舒适性要求以及节能要求的最优结合。

Description

基于预计平均热感觉指数的空调节能控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种空调控制系统，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系统。

背景技术

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，大部分时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。同时，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，往往是以空调系统的能耗和运行费用增加为代价。

目前在舒适性空调系统中，大多采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(ISO7726)，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。PMV值所对应的冷热感标尺如下：

PMV值	-3	-2	-1	0	1	2	3
PMV值	-3	-2	-1	0	1	2	3	冷热感	过冷	冷	微冷	舒适	微热	热	过热

室内空气中，二氧化碳在700PPM以下时属于清洁空气，人体感觉良好，当浓度在700～1000PPM时属于普通空气，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1000PPM。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，也会导致空调系统的能耗和运行费用增加。

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。而另一种方案是采用两种控制模式，第一种是基于PMV对空调控制，当达到PMV允许范围时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。

因此迫切需要一种即能够满足人体舒适度需要又能保证系统能耗最低的空调控制系统。

实用新型内容

本实用新型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，来实现空调系统的节能运行的方法。

因为空调系统的控制对象的随机、时变、时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。本实用新型通过在对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。

在根据本实用新型的空调节能控制系统中，所述系统包括控制器、CO₂浓度传感器、新风阀、冷水阀、风机变频器；在根据本实用新型的一个实施例中，所述系统还包括室外焓值(H1)传感器、室内焓值(H2)传感器；

所述CO₂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、冷水阀以及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CO₂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CO₂浓度阈值调节新风阀门开度以减小所述空调系统负荷实现节能的节能控制模块。

根据本实用新型的空调节能控制系统，所述系统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频率以及所述冷水阀门开度的PMV控制模块。

本实用新型将PMV值、CO₂浓度以及室内外焓差ΔH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

图1是根据本实用新型的实施例的空调节能控制系统图；

图2是根据室内热环境评价与测量的标准化方法(ISO7726)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；

图3是根据本实用新型的实施例的控制器结构框图；

图4是根据本实用新型满足PMV阈值范围、且系统处于供冷状态下基于室内外焓值以及CO₂浓度阈值来调节新风阀门开度的流程图；

图5是根据本实用新型的PMV控制模块中用以调节PMV指数的流程图。

具体实施方式

图1显示了根据本实用新型的空调节能控制系统，其主要包括控制器101、PMV传感器107、CO₂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。

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)系统时传递入(或传递出)系统的总能量。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时，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，可以达到节省空调系统能耗的目的。

在夏季及过渡季节，空调系统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时(即ΔH＜0)，增加新风量可以降低空调冷负荷，从而会降低空调系统的负载率，节省了整个空调系统的能耗；当室外空气焓值大于室内空气焓值时(即ΔH＞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，在冬季需要空调系统制热的情况，当室外空气焓值小于室内空气焓值时，为了降低空调系统热负荷，将新风引入量减少到最小，以减少空调系统能耗；当室外空气焓值大于室内空气焓值时，增加新风量，可以降低空调负载率，从而节省空调制热能耗。

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(ISO7726)的预计平均热感觉指数与人群满意度关系的曲线图表，在本实用新型中，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。

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、CO₂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304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。

在本实用新型中，每个空调机组控制区域选取一个监测点，安装PMV传感器107、CO₂浓度传感器109以及室内、外焓值传感器(108和102)，负责采集相应区域内的PMV值、CO₂浓度值和焓值，并且把采集数据传递给101。

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

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S_o，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。

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F_o，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。

如图4所示，根据本实用新型的一个实施例，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系统的节能目的。在此，基于室内外焓差ΔH(即ΔH＝室外焓值H1-室内焓值H2)以及CO₂浓度来对新风阀开度进行控制，在空调系统供冷状态下的方法如下：

所述方法开始于步骤401，然后执行步骤402，进行PMV测量，根据采样值判断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；

在步骤405中，进行PMV控制，直到PMV处于阈值范围内为止。

在步骤404中，判断焓差ΔH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F_o，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。

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CO₂浓度进行监测，如果CO₂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F_o，之后步骤返回到开始，执行下一次的处理。

如果CO₂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F_o，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。

在空调系统处于制热状态下，控制方式相反，因此图中未画出，步骤如下：

当ΔH＞0时，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F_o，增加进入室内的新风量；当ΔH＜0时，引入新风会增大机组负荷，此时要对室内CO₂浓度进行监测，CO₂浓度低于950ppm时，则减小阀门开度控制量，如果CO₂浓度高于950ppm时，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F_o，从而反复调节阀门最终达到节能与舒适的平衡。

如图5所示，在本实用新型的一个实施例中，PMV控制模块用于当PMV值超出阈值范围时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：

S201、PMV值采集及模型初始化，在此步骤中，根据本实用新型的控制器通过PMV传感器采集的PMV指标，并根据设定的PMV阈值范围计算PMV偏差值和PMV偏差变化率；

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；

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；

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查表得到模糊控制量，其中所述模糊规则库是根据反复调校系统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；

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，根据本实用新型为简洁起见，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S_o。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；

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。

其中在本实用新型的实施例中，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。

本实用新型通过模糊控制实现环境PMV的调节并通过CO₂浓度的监测实现空气质量改善，同时根据本实用新型的实施例可以实现系统热舒适性要求以及节能要求的最优结合。

Claims

1、一种基于预计平均热感觉指数的空调节能控制系统，其包括控制器、CO₂浓度传感器、新风阀、冷水阀、风机变频器；

其特征在于，所述系统还包括室外焓值传感器、室内焓值传感器；

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CO₂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CO₂浓度阈值调节所述新风阀门开度以减小所述空调系统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系统，其特征在于，所述系统还包括PMV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系统，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。