[发明专利]空调系统的节能、热舒适控制方法

摘要

空调系统的节能、热舒适控制方法，包括以下步骤：（1）空调开启时，获取热舒适度PMV的预设值；（2）获取服装热阻和人体代谢率；（3）获取室内热环境初始状态点及初始状态点对应的能耗值；（4）利用寻优方法使空调系统的设定值不断逼近最优组合；（5）当室内PMV值不满足热舒适度范围时，重复步骤（3）、（4）。使用本发明方法，可对热舒适度进行精确的控制；在保证热舒适度的前提下，又能有效降低空调能耗；无需样本数据就能自适用于不同的建筑类型、不同空调系统在不同时刻的热舒适控制，适用范围广。

主权项

1.一种空调系统的节能、热舒适控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)空调开启时，获取热舒适度PMV的预设值；(2)获取服装热阻和人体代谢率；(3)获取室内热环境初始状态点及初始状态点对应的能耗值；(4)利用寻优方法使空调系统的设定值不断逼近最优组合；(5)当室内PMV值不满足热舒适度范围时，重复步骤(3)、(4)；对于风机盘管系统和全空气系统，步骤(3)的具体过程如下：(301)在约束条件范围内，随机产生第一组空气温度ta1和相对湿度φ1；(302)根据步骤(301)中的空气温度ta1得到平均辐射温度tr1，tr1＝ta1，将平均辐射温度tr1、空气温度ta1、相对湿度φ1以及步骤(2)中获取的服装热阻、人体代谢率代入热舒适度方程，求得PMV值等于预设值时的工作区风速v；热舒适度方程为：式中，M为人体代谢率，对应于人体活动程度，单位为W/m2；W为人体对外做工，通常取值为零，单位为W/m2；Pa为环境空气中水蒸气分压力，单位为kPa，Pa由空气温度ta和相对湿度φ计算获得；ta为空气温度，单位为℃；φ为相对湿度；fcl为服装的面积系数；Icl为服装热阻，单位为m2·K/W，对应人体的着衣状况；tcl表示衣服外表面温度，单位为℃；其中，dT＝tr‑20；tr为平均辐射温度，单位为℃；hc表示对流换热系数，hc的单位为W/m2·K；v为风速，单位为m/s；(303)若求得的v值不在约束范围内，约束范围取0‑1m/s，放弃该点随机产生一组新的空气温度和相对湿度；若求得的v值在约束范围内，转入步骤(304)；(304)根据求得的v值，调节风机转速，测量工作区的PMV值；其中，工作区的PMV值由以下公式求得：(305)当PMV值趋于稳定即PMV值每分钟变化率的绝对值小于设定值时，测得空气温度为ta1，相对湿度为φ1时空调的能耗值W1；(306)在约束条件范围内，随机产生第二组空气温度ta2和相对湿度φ2；第k‑1组空气温度tak‑1和相对湿度φk‑1；第k组空气温度tak和相对湿度φk，k＝3或4；得到第二组数据、k‑1组数据和第k组数据构成初始复合形的各顶点，并分别测得各顶点对应的能耗值，即空气温度为ta2，相对湿度为φ2时空调的能耗值W2；空气温度为tak‑1，相对湿度为φk‑1时空调的能耗值Wk‑1；空气温度为tak，相对湿度为φk时空调的能耗值Wk；对于风机盘管系统和全空气系统，步骤(4)的具体过程如下：(401)读取初始复合形及各顶点对应的能耗值；(402)将各顶点对应的能耗值按大小排序；在各顶点中找出最坏点XH和最好点XL；最坏点即能耗值最大的点，最好点即能耗值最小的点；(403)检验各顶点的能耗值是否满足迭代终止条件：ε₂表示误差限，ε₂范围取0.01W‑0.05W，W代表能耗的数量级；δ为各顶点与最好点对应的空调能耗值之差的均方根值；若满足迭代终止条件，最好点XL即为最优解X*；输出最优解，结束迭代；若不满足迭代终止条件，转入步骤(404)；(404)计算除最坏点XH外其余各顶点的中心XC；(405)检查XC点的可行性，若XC不在可行域D内，可行域D为a1≤x1≤b1，a2≤x2≤b2，在以XL点为起点、XC点为终点的超立方体中利用随机数产生新复合形的各个顶点，则变量的上下限变为a1＝xL1，a2＝xL2，b1＝xC1，b2＝xC2，然后转回步骤(401)；若XC在可行域D内，转入步骤(406)；(406)寻求映射点XRXR＝XC+α(XC+XH)；式中α为映射系数；(407)检查XR点是否在可行域D内；若在可行域D内，则转入步骤(408)；若不在可行域D内，将映射系数α减半，即令α＝0.5α，再按上式计算新的映射点，使其向可行域方向靠拢；若新的映射点仍在可行域D外，则将映射系数α减半，继续重复迭代直到映射点XR进入可行域D为止；(408)测得映射点XR的能耗值WR并与最坏点XH的能耗值WH相比较，若WR＜WH，转入步骤(409)；否则，判断是否满足条件α≤10‑5，如果否，将映射系数α减半，返回步骤(406)，重新计算新的回缩的映射点XR，循环迭代，直至WR＜WH；如果是，找出次坏点XG，并以次坏点XG替换最坏点XH，次坏点XG即为除去最坏点XH外能耗值最大的点，表达式为XG：W(XG)＝max{W(Xj)(j＝1,2,k,j≠H)}；返回步骤(404)；(409)XR替换点XH，即XR＝XH，构成一个新复合形，返回到步骤(401)；对于分体式空调和多联机，步骤(3)的具体过程如下：(301)设空调的空气温度ta设定值的约束区间为[a0，b0]，即得到空气温度初始区间[a0，b0]，令空气温度ta＝a0；(302)根据步骤(301)中的空气温度ta得到平均辐射温度tr，tr＝a0；测得此时工作区的相对湿度φ，将空气温度ta、相对湿度φ、平均辐射温度tr、及步骤(2)中获取的服装热阻、人体代谢率代入热舒适度方程，求得PMV值等于预设值时的工作区风速v；热舒适度方程为：式中，M为人体代谢率，对应于人体活动程度，单位为W/m2；W为人体对外做工，通常取值为零，单位为W/m2；Pa为环境空气中水蒸气分压力，单位为kPa，Pa可由空气温度ta和相对湿度φ计算获得；ta为空气温度，单位为℃；φ为相对湿度；fcl为服装的面积系数，其值可以根据人体着衣状况的不同而分别设置为不同的数值；Icl为服装热阻，单位为m2·K/W，对应人体的着衣状况；tcl表示衣服外表面温度，单位为℃；其中，dT＝tr‑20；tr为平均辐射温度，单位为℃；hc表示对流换热系数，hc的单位为W/m2·K；v为风速，单位为m/s；(303)判断求得的风速v是否在约束范围内，约束范围取0‑1m/s；若不在约束范围内，当v小于左端点时，v取左端点值；当v大于右端点时，v取右端点值；若在约束范围内，转入步骤(304)；(304)：根据求得的v值，调节风机转速，测量工作区的PMV值；其中，工作区的PMV以下公式求得：(305)当PMV值趋于稳定即PMV值每分钟变化率的绝对值小于设定值时，测得空气温度a0时的空调的能耗值Wa0；(306)按步骤(301)‑(305)的方法测得空气温度b0时的空调的能耗值Wb0；由此得到空气温度初始区间端点对应的能耗值；对于分体式空调和多联机，步骤(4)的具体过程如下：(401)读取空气温度初始区间[a0，b0]及空气温度初始区间端点对应的能耗值；(402)令λ＝0.618，a＝a0，b＝b0；(403)令ta1＝b‑λ(b‑a)；根据空气温度ta1得到平均辐射温度tr1，tr1＝ta1；测得此时工作区的相对湿度φ1，将此时工作区的相对湿度φ1，将空气温度ta1、相对湿度φ1、平均辐射温度tr1、及步骤(2)中获取的服装热阻、人体代谢率代入热舒适度方程：式中，M为人体代谢率，对应于人体活动程度，单位为W/m2；W为人体对外做工，通常取值为零，单位为W/m2；Pa为环境空气中水蒸气分压力，单位为kPa，Pa可由空气温度ta和相对湿度φ计算获得；ta为空气温度，单位为℃；φ为相对湿度；fcl为服装的面积系数，其值可以根据人体着衣状况的不同而分别设置为不同的数值；Icl为服装热阻，单位为m2·K/W，对应人体的着衣状况；tcl表示衣服外表面温度，单位为℃；其中，dT＝tr‑20；tr为平均辐射温度，单位为℃；hc表示对流换热系数，hc的单位为W/m2·K；v为风速，单位为m/s；求得此时的风速v1；(404)调整风机转速，当PMV值趋于稳定即PMV值每分钟变化率的绝对值小于设定值时，测得此时空调的能耗值W1；(405)令ta2＝a+λ(b‑a)；根据空气温度ta2得到平均辐射温度tr2，tr2＝ta2；测得此时工作区的相对湿度φ2，将此时工作区的相对湿度φ2，将空气温度ta2、相对湿度φ2、平均辐射温度tr2、及步骤(2)中获取的服装热阻、人体代谢率代入热舒适度方程：式中，M为人体代谢率，对应于人体活动程度，单位为W/m2；W为人体对外做工，通常取值为零，单位为W/m2；Pa为环境空气中水蒸气分压力，单位为kPa，Pa可由空气温度ta和相对湿度φ计算获得；ta为空气温度，单位为℃；φ为相对湿度；fcl为服装的面积系数，其值可以根据人体着衣状况的不同而分别设置为不同的数值；Icl为服装热阻，单位为m2·K/W，对应人体的着衣状况；tcl表示衣服外表面温度，单位为℃；其中，dT＝tr‑20；tr为平均辐射温度，单位为℃；hc表示对流换热系数，hc的单位为W/m2·K；v为风速，单位为m/s；求得此时的风速v2；(406)调整风机转速，当PMV值趋于稳定即PMV值每分钟变化率的绝对值小于设定值时，测得此时空调的能耗值W2；(407)判断是否W1≥W2；若是，转入步骤(408)；若否，转入步骤(409)；(408)令a＝ta1，ta1＝ta2，ta2＝a+λ(b‑a)，W1＝W2，同时将空调系统空气温度设定值改为新的ta2，求得此时其对应的工作区风速并调整风机转速，待PMV值稳定求得此时空调系统能耗W2＝W(ta2)；(409)令b＝ta2，ta2＝ta1，ta1＝a‑λ(b‑a)，W2＝W1，同时将空调系统空气温度设定值改为新的ta1，求得此时其对应的工作区风速并调整风机转速，待PMV值稳定求得此时空调系统能耗W1＝W(ta1)；(410)判断是否成立，ε₂表示误差限，ε₂的取值范围为0.05‑0.3；若成立，转入步骤(411)；若不成立，返回步骤(407)；(411)输出最优解