DE69123527T2

DE69123527T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen der vorhergesagten mittleren thermischen Sensibilität

Info

Publication number: DE69123527T2
Application number: DE1991623527
Authority: DE
Inventors: Akihiko Kon
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2011-09-21
Also published as: JP2550432B2; EP0476692B1; DE69123527D1; DK0476692T3; JPH04131652A; EP0476692A2; EP0476692A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen eines PMV (vorhergesagten mittleren Abstimmungs-)-Wertes als vorbestimmte bzw. vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit, die den Grad des Komforts in einer Innenumgebung darstellt.
Bei einer konventionellen Vorrichtung wurde als eine Formel zum Berechnen eines PMV-Wertes als vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit die durch ISO 7730 definierte PMV- Gleichung, d. h., die nachfolgende Gleichung (1) verwendet:
Tcl = Bekleidungs-Oberflächentemperatur,
Tsk = Hauttemperatur,
Pa = RH.Pa*
RH = Feuchtigkeit bzw. Luftfeuchtigkeit,
Pa* = Wasserdampf-Sättigungsdruck,
M = Aktivitätsbetrag,
W' = Arbeitsbetrag,
Ta = Lufttemperatur,
Tr = Strahlungstemperatur,
Icl = Bekleidungs-Wärmewiderstand,
Vair = Luftgeschwindigkeit und
fcl = Faktor.
Eine solche konventionelle PMV-Gleichung ist jedoch eine Sammlung einer großen Anzahl von Termen und weist einen sehr komplizierten Aufbau auf, z. B. biquadratische Terme von Tcl und Tr und wiederholte Berechnungen von Tcl.
Aus diesem Grund ist beim konventionellen Verfahren eine komplizierte arithmetische Verarbeitung erforderlich und die Verarbeitungszeit wird daher in unerwünschter Weise verlängert. Darüber hinaus werden die Kosten für die PMV- Berechnungsvorrichtung unvermeidlich erhöht, so daß einige praktische Schwierigkeiten bei der Anwendung einer solchen PMV-Berechnungsvorrichtung als ein PMV-Sensor für eine Gebäudeklimaanlage entstehen.
Zum Beispiel beschreibt EP-A-0 495 117, die einen Stand der Technik nach Artikel 54 (3) EFC wiedergibt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen der Wärmeempfindlichkeit, bei denen Wärmeenergie einer Heizeinrichtung zugeführt wird, um so eine Temperatur eines Sensors, der für die Heizeinrichtung vorgesehen ist, auf einer vorbestimmten Einstelltemperatur zu halten. Die Wärmeempfindlichkeit wird auf Grundlage einer Lufttemperatur, eines Bekleidungs-Wärmewiderstands, der vorhergesagten bzw. vorbestimmten Einstelltemperatur und der Wärmeenergie berechnet. Um die Temperatur des Sensors auf einem bestimmten Wert zu halten, müssen eine Steuereinrichtung etc. vorgesehen werden.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit zu schaffen, bei dem eine arithmetische Verarbeitung und die Messung der physikalischen Größen, auf denen die arithmetische Verarbeitung beruht, vereinfacht werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale gelöst, die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Erhalten der wirksamen Temperatur bzw. Betriebstemperatur T&sub0;* nahe der wirksamen Temperatur T&sub0; die arithmetische Verarbeitung für die wirksame Temperatur T&sub0; vereinfacht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(A) ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zur Berechnung der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 1(B) ist ein Blockdiagramm, das eine Berechnungsvorrichtung für eine vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2(A) und 2(B) stellen Ansichten dar, die ein Modul für eine Umgebungsmeßeinheit zeigen, die für die Vorrichtung zur Berechnung der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Luftgeschwindigkeits-Meßschaltung in der Umgebungsmeßeinheit darstellt;
Fig. 4(A) und 4(B) sind Ansichten, die die Gesamtanordnung der Umgebungsmeßeinheit darstellen;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die das Verfahren zum Berechnen der vorhergesagten bzw. vorbestimmten mittleren Wärmeempfindlichkeit PMV* in der Berechnungsvorrichtung für die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit, die in Fig. 1(B) dargestellt ist, darstellt, bei der die Oberfläche eines Modulhauptkörpers 5-11 gefärbt ist, um hinsichtlich einer Strahlungstemperatur Tr empfindlich zu sein, so daß die Emission erhöht wird; und
Fig. 6(A) bis 6(C) sind Querschnittansichten, die entsprechend Modifikationen eines Modulhauptkörpers darstellen, der für den Umgebungsmeßabschnitt verwendet wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Eine Berechnungsvorrichtung für eine vorhergesagte bzw. vorbestimmte mittlere Wärmeempfindlichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in Einzelheiten beschrieben.
Fig. 1(A) stellt ein Ausführungsbeispiel dieser Berechnungsvorrichtung für eine vorbestimmte mittlere Wärmeempfindlichkeit dar, die dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht.
Eine Berechnungsvorrichtung 1 für eine vorbestimmte mittlere Wärmeempfindlichkeit weist einen Eingabeabschnitt 2, einen Berechnungsabschnitt 3 und einen Anzeige-/Ausgabeabschnitt 4 auf. Ein Aktivitätsbetrag M und ein Bekleidungs-Wärmewiderstand Icl werden als gesetzte Werte dem Eingabeabschnitt 2 zugeführt. Zusätzlich werden eine Strahlungstemperatur Tr, eine Luftgeschwindigkeit Vair, eine Lufttemperatur Ta und eine relative Feuchtigkeit bzw. Luftfeuchtigkeit RH als Erfassungswerte dem Eingabeabschnitt 2 zugeführt. Diese gesetzten und erfaßten Werte werden von dem Eingabeabschnitt 2 zum Berechnungsabschnitt 3 geliefert. Nachfolgend führt der Berechnungsabschnitt 3 eine arithmetische Verarbeitung als ein kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung auf Grundlage einer PMV*-Gleichung unter Verwendung einer wirksamen Temperatur bzw. Betriebstemperatur T&sub0; durch.
Im einzelnen wird die wirksame Temperatur T&sub0; für einen menschlichen Körper zuerst durch die nachfolgende Gleichung (2) auf Grundlage der Strahlungstemperatur Tr, der Lufttemperatur Ta, der Luftgeschwindigkeit Vair, von Koeffizienten b&sub1; und b&sub2; sowie einem Koeffizienten n berechnet. Die vorhergesagte bzw. vorbestimmte mittlere Wärmeempfindlichkeit PMV* wird mittels der nachfolgenden Gleichung (3) auf Grundlage der berechneten wirksamen Temperatur T&sub0;, der Lufttemperatur Ta, einer relativen Feuchtigkeit RH, eines Wasserdampf-Sättigungsdrucks Pa*, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, einer Variablen h (h&sub0; = b&sub1; + b&sub2; Vairn) und von Koeffizienten a&sub1; bis a&sub6; berechnet.
Gleichung (3), die Gleichung (2) einschließt, wurde durch den vorliegenden Anmelder durch wiederholtes Versuchen erzielt, um die konventionelle PMV-Gleichung (Gleichung (1)) zu vereinfachen. Der durch diese Gleichung erhaltene PMV*-Wert stimmt mit dem PMV-Wert, der mittels der konventionellen PMV-Gleichung erhalten wird, mit einer beträchtlich hohen Genauigkeit überein. Tabelle 1 stellt den Vergleich zwischen PMV und PMV* beim Vorliegen von Luft in einer Sommerzeit unter den folgenden Bedingungen dar: Icl = 0.5, RH = 50%, Ta = Tr = 30ºC und Vair = 0.2 m/s. Tabelle 2 stellt den Vergleich zwischen PMV und PMV* beim Vorliegen von Luft in einer Sommerzeit unter den nachfolgenden Bedingungen dar: Icl = 0.51 RH = 50%, Ta = Tr = 30ºC und Vair = 0.4 m/s. Aus diesen Tabellen ist ersichtlich, daß PMV und PMV* mit nur einem geringen Fehler miteinander übereinstimmen. Tabelle 1 Tabelle 2
Es wird angemerkt, daß der PMV*-Wert, der durch den Berechnungsabschnitt 3 erzielt wird, zum Anzeige-/ Ausgabeabschnitt 4 geführt wird, um angezeigt zu werden.
Bei den vorstehenden Tabellen zeigt "LOAD" bzw. Last einen gemeinsamen Teil in Gleichung (1) an, der als PMV = (0303e-0.036M + 0.028)×LOAD ausgedrückt wird und "LOAD*"entspricht "LOAD" für PMV*. Zudem gilt bei R+C = 3.96×10&supmin;&sup8; fcl {(Tcl+274)&sup4;-(Tr+273)&sup4;}-fcl hc (Tcl-Ta), wobei "R*+C*" den Ausdruck "R+C" für PMV* entspricht. "R*+*C" ist proportional zu [a&sub4;/(1 + a&sub5; Icl)] (a&sub6; - Teq).
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Berechnungsvorrichtung für die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit dieses Ausführungsbeispiels die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit PMV* durch vier einfache arithmetische Operationen ohne einen Verlust der Genauigkeit berechnet werden, wodurch die Verarbeitungszeit im Vergleich mit der konventionellen Vorrichtung in hohem Maße verkürzt wird. Da nur vier einfache arithmetische Operationen erforderlich sind, kann der Berechnungsabschnitt 3 zudem durch einfaches Aufnehmen einer Analogschaltung, die hauptsächlich aus einem Operationsverstärker besteht, oder nur einem Mikrocomputer ausgebildet werden. Dies fördert eine Kostenverringerung für die Vorrichtung und trägt daher in hohem Maße zu einer praktischen Anwendung der Vorrichtung als ein PMV-Sensor für eine Gebäudeklimaanlage bei.
Fig. 1(B) stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Umgebungsmeßeinheit 5 in einem Raum angeordnet, um eine wirksame Temperatur bzw. Betriebstemperatur T&sub0;* sowie eine Luftgeschwindigkeit Vair zu erzielen, und diese Werte werden einem Eingabeabschnitt 2 zusammen mit einem Aktivitätsbetrag M, einem Bekleidungs- Wärmewiderstand Icl, einer Lufttemperatur Ta und einer relativen Feuchtigkeit RH zugeführt.
Die Fig. 2(A) und 2(B) stellen ein Beispiel der Umgebungsmeßeinheit 5 dar. Fig. 2(A) ist eine perspektivische Vorderansicht eines Moduls 5-1, das die Umgebungsmeßeinheit 5 ausbildet. Fig. 2(B) ist eine Querschnittsansicht des Moduls 5-1. Das Modul 5-1 weist einen Modulhauptkörper 5-11 auf, der durch ein zylindrisches Metallelement mit einem Boden, einen Temperatur- bzw. Wärmesensor 5-12 zum Messen der Luftgeschwindigkeit Vair und einen Wärmesensor 5-13 zum Messen der wirksamen Temperatur T&sub0;* ausgebildet wird. Der Modulhauptkörper 5-11 weist eine Vielzahl länglicher Löcher 5-11a auf, durch die Luft strömt. Der Wärmesensor 5-12 ist im wesentlichen in der Mitte des inneren Raums des Modulhauptkörpers 5-11 angeordnet, während der Wärmesensor 5-13 im Boden des Modulhauptkörpers 5-11 eingebettet ist. Falls dieses Modul 5-1 in einem Raum angeordnet ist, kann die wirksame Temperatur T&sub0;* für die Umgebungsmeßeinheit 5, die durch die nachfolgende Gleichung (4) mit einem Koeffizienten b&sub3; dargestellt wird, durch den Wärmesensor 5- 13 erhalten werden. Es ist anzumerken, daß die Koeffizienten b&sub1; und b&sub3; der Umgebungsmeßeinheit 5 mittels Experimenten oder dergleichen im voraus bestimmt werden.
Zudem kann die Luftgeschwindigkeit Vair über den Wärmesensor 5-12 erhalten werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Luftgeschwindigkeit Vair mittels einer Luftgeschwindigkeits-Meßschaltung erhalten, die in Fig. 3 dargestellt ist. Im einzelnen wird der Wärmesensor 5-12 durch einen ersten Thermistor T&sub1; und einen zweiten Thermistor T&sub2; gebildet. Der Thermistor T&sub1; wird auf TºC erwärmt und eine Lufttemperatur Ta wird mittels des Thermistors T&sub2; gemessen. Durch Steuern, daß ΔT = T - Ta konstant bleibt, d. h., das Verwenden einer Luftgeschwindigkeit-Meßmethode, die auf einer konstanten Temperaturdifferenz beruht, wird ein Ausgangswert VOUT erhalten, der der Luftgeschwindigkeit Vair entspricht. D. h., falls der Energieverbrauch des Thermistors T&sub1; durch P(W) dargestellt wird, dann gilt
P(W)=K VOUT² =(A+B Vairn) ΔT.
Daher wird das Ausgangssignal bzw. der Ausgangswert VOUT durch
gegeben. Falls dieser Ausgangswert VOUT korrigiert wird, um
Vairn =(VOUT² K/ΔT-A)/B
zu bilden, dann kann die Luftgeschwindigkeit Vair erhalten werden.
Die Fig. 4(A) und 4(B) stellen die Gesamtanordnung der Umgebungsmeßeinheit 5 dar, die durch das in den Fig. 2(A) und 2(B) dargestellte Modul 5-1 gebildet wird. Fig. 4(A) ist eine Vorderansicht der Einheit 5. Fig. 4(B) ist eine Seitenansicht der Einheit 5. Bei dieser Umgebungsmeßeinheit 5 ist eine elektrische Schaltung zum Messen der Luftgeschwindigkeit Vair und der wirksamen Temperatur T&sub0;* und zum Ausgeben der gemessenen Werte in einem Sockel 5-2 angeordnet, auf dem das Modul 5-1 befestigt ist.
Bei einer Berechnungsvorrichtung 1' für eine vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit, die die Luftgeschwindigkeit Vair, die Betriebstemperatur bzw. wirksame Temperatur T&sub0;* sowie die Lufttemperatur Ta empfängt, die durch die Umgebungsmeßeinheit 5 gemessen werden, wird eine wirksame Temperatur T&sub0; mittels eines Berechnungsabschnitts 3' gemäß der nachfolgenden Gleichungen (5), (6) und (7) berechnet:
T&sub0;* (b&sub1;+b&sub3; Vairn)=T&sub1;, ...(5)
T&sub1;+(b&sub2;-b&sub3;) Vairn Ta=T&sub2;, ...(6)
T&sub2;/(b&sub1; +b&sub2; Vairn)=T&sub0;, ... (7)
wobei T&sub0;* die wirksame Temperatur ist, die durch einen Sensor (Umgebungsmeßeinheit 5) erhalten wird, und T&sub0; die wirksame Temperatur hinsichtlich eines Menschen ist. Da ein Sensor kleiner als ein Mensch ist, wird der Koeffizient b&sub3; größer als der Koeffizient b&sub2; (b&sub3; > b&sub2;). Die wirksame Temperatur T&sub0; hinsichtlich eines Menschen wird nach dem Prozeß der Berechnungen mittels der Gleichungen (5), (6) und (7) erhalten, so daß die Genauigkeit erhöht wird.
Die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit PMV* wird durch Gleichung (3) auf Grundlage der wirksamen Temperatur T&sub0;, die durch dieses arithmetische Verarbeiten erhalten wird, der Lufttemperatur Ta, der relativen Feuchtigkeit RH, eines Wasserdampf-Sättigungsdrucks Pa*, des Bekleidungs- Wärmewiderstands Icl, einer Variablen h&sub0; (h&sub0; = b&sub1; + b&sub2; Vairn) und der Koeffizienten a&sub1; bis a&sub6; berechnet.
Fig. 5 stellt den Ablauf der Berechnung der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit PMV* in der Berechnungsvorrichtung 1' für die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit dar.
Da durch die Umgebungsmeßeinheit 5 die wirksame Temperatur T&sub0;* nahe der wirksamen Temperatur T&sub0; erhalten wird, wird entsprechend diesem Ausführungsbeispiel die arithmetische Verarbeitung für die wirksame Temperatur T&sub0; vereinfacht und die Hardwareanordnung des Berechnungsabschnitts 3' wird vereinfacht. Zudem wird die Verarbeitungszeit verkürzt, was eine weitere Kostenverringerung bewirkt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Modulhauptkörper 5-11 durch ein zylindrisches Element mit einem Boden ausgebildet. Wie dies in den Fig. 6(A), 6(B) und 6(C) dargestellt ist, kann der Modulhauptkörper jedoch durch ein kugelförmiges Element, ein halbkugelförmiges Element oder ein säulenförmiges Element ausgebildet werden. Zudem ist die Stelle, an der der Wärmesensor 5-12 zum Messen der Luftgeschwindigkeit Vair angeordnet ist, nicht auf den Innenraum des Modulhauptkörpers beschränkt. Z. B. kann der Sensor an der Außenfläche des Modulhauptkörpers oder nahe der Außenseite des Modulhauptkörpers angeordnet werden.
Wie dies aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann gemäß der Berechnungsvorrichtung für die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung die vorhergesagte mittlere Wärmeempfindlichkeit PMV* durch vier einfache arithmetische Operationen ohne eine Verschlechterung der Genauigkeit berechnet werden, und die Verarbeitungszeit kann im Vergleich mit der konventionellen Vorrichtung in hohem Maße verkürzt werden. Da nur eine einfache arithmetische Verarbeitung erforderlich ist, kann der Berechnungsabschnitt 3 zudem durch einfaches Aufnehmen einer Analogschaltung, die hauptsächlich aus einem Operationsverstärker besteht, oder nur einem Mikrocomputer gebildet werden. Dies bietet eine Kostenreduzierung bei der Vorrichtung und trägt daher in hohem Maße zu einer praktischen Anwendung der Vorrichtung als ein PMV-Sensor für eine Gebäudeklimaanlage bei.
Entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die arithmetische Verarbeitung für die wirksame Temperatur T&sub0; vereinfacht und die Hardwareanordnung des Berechnungsabschnitts wird vereinfacht, da die wirksame Temperatur T&sub0;* durch die Umgebungsmeßeinheit nahe der wirksamen Temperatur T&sub0; erhalten wird. Zudem wird die Verarbeitungszeit verkürzt, was eine weitere Kostenreduzierung bewirkt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit, das die Schritte aufweist:

Messen der Lufttemperatur (Ta), der Luftgeschwindigkeit (Vair) und der wirksamen Temperatur (T&sub0;*) einer Umgebungsmeßeinheit (5) mit der Umgebungsmeßeinheit (5);

Umwandeln der wirksamen Temperatur (T&sub0;*) der Einheit in die wirksame Temperatur (T&sub0;) bezüglich eines Menschen durch die folgenden Gleichungen

T&sub0;* (b&sub1; + b&sub3; Vairn) = T&sub1;

T&sub1; + (b&sub2; - b&sub3;) Vairn Ta = T&sub2;

T&sub2; / (b&sub1; + b&sub2; Vairn) = T&sub0;,

wobei Vair die Luftgeschwindigkeit,

T&sub0;* die gemessene, wirksame Temperatur der Einheit,

T&sub0; die wirksame Temperatur bezüglich eines Menschen und b&sub1; bis b&sub3; und n Koeffizienten sind; und

Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit PMV* auf der Grundlage der wirksamen Temperatur T&sub0; bezüglich eines Menschen, der Lufttemperatur Ta, einer relativen Feuchtigkeit RH, eines Wasserdampf- Sättigungsdrucks Pa* und eines Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl gemäß der Gleichung

wobei h&sub0; = b&sub1; + b&sub2; - Vairn und a&sub1; bis a&sub6; Koeffizienten sind.

2. Eine Vorrichtung zum Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit, die aufweist:

eine Umgebungsmeßeinheit (5) mit einer Einrichtung (T2) zum Messen der Lufttemperatur (Ta), einer Einrichtung (5-12) zum Messen der Luftgeschwindigkeit (Vair) und einem Temperatursensor (5-13) zum Messen der wirksamen Temperatur (T&sub0;*) der Einheit (5);

eine Berechnungseinrichtung (3'), die zum Umwandeln der wirksamen Temperatur (T&sub0;*) der Einheit in die wirksame Temperatur (T&sub0;) bezüglich eines Menschen mittels der folgenden Gleichungen programmiert ist

T&sub0;* (b&sub1; + b&sub3; Vairn) = T&sub1;

T&sub1; + (b&sub2; - b&sub3;) Vairn Ta = T&sub2;

T&sub2; / (b&sub1; + b&sub2; Vairn) = T&sub0;,

wobei Vair die Luftgeschwindigkeit,

T&sub0;* die gemessene, wirksame Temperatur der Einheit,

eine Berechnungseinrichtung (1'), die zum Berechnen der vorhergesagten mittleren Wärmeempfindlichkeit PMV* auf der Grundlage der wirksamen Temperatur T&sub0; bezüglich eines Menschen, der Lufttemperatur Ta, einer relativen Feuchtigkeit RH, eines Wasserdampf-Sättigungsdrucks Pa* und eines Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl programmiert ist gemäß der Gleichung

wobei h&sub0; = b&sub1; + b&sub2; Vairn und a&sub1; bis a&sub6; Koeffizienten sind.