一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法

摘要

本发明提供的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，严格按照国家标准规定设置空调舒适运行等级及对应的PMV数值范围，并使空调器具有加湿调节功能，通过获取空气温度、空气相对湿度、平均辐射温度、风速、代谢率及服装热阻，计算平均热感觉指标PMV值，并与预设的舒适PMV值区间进行比较，根据比较结果，智能调整空调器的送风速度、制冷/制热、加湿/除湿的运行状态，使目标区域达到人体满意的舒适状态，保证满足人体舒适要求，有利于改善目标区域的热舒适环境，促进建筑节能减排。本发明原理及参数设置科学，操作方法简单，易于控制与实现。

说明书

技术领域

本发明涉及节能环保领域，具体涉及一种基于热舒适评价的热湿环境综合控 制空调系统及方法。

背景技术

随着经济、技术的发展和生活水平的不断提高，人们对室内环境热舒适的要 求越来越高，营造一种健康、舒适、环保、节能的室内环境显得尤为重要。空调 器已成为目前人们营造室内环境的主要工具。

现有的空调舒适度控制方法是以丹麦工业大学Fanger教授所提出的PMV模 型为依据，利用人体热感觉指标，以人体热平衡为依据，结合心理学的主观感受， 得到一个综合性的热舒适方程来评价室内环境的热舒适性，其值可由室内空气温 度、室内空气相对湿度、室内平均辐射温度、室内风速、人体服装热阻及人体代 谢率6个参数计算确定。

即便使用该空调舒适度控制方法，传统空调器对于室内空气湿度的处理能力 十分有限，往往只具备除湿功能，却不具备加湿功能。夏季冷凝水的形成使得室 内环境空气的含湿量不断降低，室内变得更为干燥，造成人体的咽喉、鼻孔等部 位感觉极为不适；冬季制热时室内温度上升，导致室内空气相对湿度下降，同样 会带来不适。在空调无法根据人们实际需求对室内空气湿度这一参数进行调节的 情况下，试图利用PMV模型营造舒适的空调环境也就变得十分困难。

在现有技术中，申请号(201410155235.8)，名称为(空调器的舒适性控制 方法及装置)的发明专利中，对于环境的热舒适而言，只考虑了对空气温度进行 调节，未考虑空气湿度及气流速度的调节；申请号(200610128692.3)，名称(节 能型热舒适控制器及控制方法)的发明专利及申请号(20130454415.1)，名称(空 调器舒适度控制方法)的发明专利中，虽然考虑了对空气温度及空气湿度进行调 节，但却只考虑对室内湿度的除湿调节，无法适应室内湿度较低需要加湿的情况， 同时也忽略了对风速的调节，显然不能全面的对室内环境进行舒适控制。

同时应注意，室内热湿环境舒适度目前已经有了清晰明确的等级划分。我国 第一部热湿环境评价标准《民用建筑室内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012 已于2012年10月正式实施，标准中将我国民用建筑室内热湿环境分为I级、II 级、III级共三个等级，并给出了明确的评价指标及对应等级的PMV数值范围。 然而上述现有技术中，空调调节方法都不是基于国家标准中的室内舒适等级进行 调控的方法，而是选择孤立的调控室内单一或两个参数，该现有的空调调节方法 的营造室内舒适热湿环境的能力不能满足人们的实际需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明所解决的问题在于，怎样提供一种 基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，可以全面调控《民用建筑 室内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012标准中影响舒适等级的参数，营造目 标区域舒适热湿环境的能力更好，用于解决现有的空调调节技术中，只是选择孤 立的调控目标区域单一或两个参数，其空调调节方法的营造目标区域舒适热湿环 境的能力不能满足人们的实际需求的缺陷。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统，包括风速调节单元、湿 度调节单元、温度调节单元，参数采集模块，舒适度计算模块及智能控制模块； 风速调节单元用于根据设定的风速进行送风；湿度调节单元用于根据设定的空气 相对湿度进行湿度调节；温度调节单元根据设定的温度控制送风温度；参数采集 模块安装在目标区域，用于采集目标区域的瞬时环境参数，并将其发送给舒适度 计算模块及智能控制模块；瞬时环境参数包括瞬时空气温度、瞬时空气相对湿度、 瞬时平均辐射温度、瞬时风速；参数采集模块包括膨胀式温度感应器、露点式湿 度感应器、球形黑球温度计、风速探头，膨胀式温度感应器用于检测目标区域的 瞬时空气温度，露点式湿度感应器用于检测目标区域的瞬时空气相对湿度，球形 黑球温度计用于检测目标区域的瞬时平均辐射温度；风速探头用于检测目标区域 的瞬时风速；舒适度计算模块用于根据来自参数采集模块的瞬时环境参数计算得 到目标区域的瞬时热感觉，并将瞬时热感觉发送给智能控制模块；智能控制模块 根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并根据热感觉范围和来自舒适度计算 模块的瞬时热感觉，来控制风速调节单元进行风速调节，控制湿度调节单元进行 湿度调节，控制温度调节单元进行送风温度控制，所述舒适运行等级包括Ⅰ级， Ⅱ-h级和Ⅱ-c级。

进一步，所述“舒适度计算模块用于根据来自参数采集模块的瞬时环境参数 计算得到目标区域瞬时热感觉，并将瞬时热感觉发送给智能控制模块”具体为： 舒适度计算模块包括服装热阻获取单元、代谢率获取单元、中央处理单元及无线 通信单元；服装热阻获取单元用于根据用户输入的气候参数得到服装热阻；代谢 率获取单元用于根据用户输入的建筑类型得到代谢率；中央处理单元用于根据服 装热阻，代谢率和来自所述参数采集模块的瞬时环境参数，计算得到目标区域瞬 时热感觉；无线通信单元用于接收来自所述参数采集模块的瞬时环境参数，还用 于将中央处理单元得到的瞬时热感觉发送给所述智能控制模块。

进一步，所述“智能控制模块根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并 用于根据热感觉范围和来自舒适度计算模块的瞬时热感觉，来控制风速调节单元 进行风速调节，控制湿度调节单元进行湿度调节，控制温度调节单元进行送风温 度控制”具体为：智能控制模块包括通信单元、比较单元、控制单元及记忆单元； 通信单元用于接收来自所述舒适度计算模块的瞬时热感觉和来自参数采集模块 的瞬时环境参数；比较单元用于根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并对 瞬时热感觉和热感觉范围进行比较；控制单元用于根据比较单元得到的结果来来 控制风速调节单元进行风速调节，控制湿度调节单元进行湿度调节，控制温度调 节单元进行送风温度控制；记忆单元用于在空调关机时，存储空调当前设定的风 速，空气温度和空气相对湿度。

进一步，所述参数采集模块和舒适度计算模块设置在空调遥控器中。

一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调方法，由上述的基于热舒适评 价的热湿环境综合控制空调系统运行得到，空调开机时，智能控制模块读取记忆 单元中存储的空调的风速，空气温度和空气相对湿度，并控制空调按照读取的数 据开始运行；智能控制模块实时接收来自所述舒适度计算模块的瞬时热感觉和来 自参数采集模块的瞬时环境参数，该空调调节方法包括以下步骤：

1)智能控制模块判断当前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是， 执行步骤2；否则，执行步骤3；

2)智能控制模块控制空调保持当前设定的风速，空气温度和空气相对湿度， 同时智能控制模块继续对瞬时热感觉进行监测，执行步骤1；

3)智能控制模块控制空调的风速调节单元送风的风速由0逐渐增大到 0.2m/s，并在增大风速的过程中判断当前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中， 如果是，执行步骤2；否则，执行步骤4；

4)智能控制模块控制空调的风速调节单元保持当前送风的风速；智能控制 模块判断当前的瞬时空气相对湿度是否大于50％，如果是，执行步骤5；否则， 执行步骤6；

5)智能控制模块对空调的湿度调节单元进行加湿调节，直至调节到当前的 瞬时空气相对湿度为60％；智能控制模块再次调节空调的湿度调节单元进行减湿 调节，将空气相对湿度由60％逐步减少到40％，并在减湿调节的过程中判断当 前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是，执行步骤2；否则，执行步骤 7；

6)智能控制模块对空调的湿度调节单元进行减湿调节，直至调节到当前的 瞬时空气相对湿度为40％；智能控制模块再次调节空调的湿度调节单元进行加湿 调节，将空气相对湿度由40％逐步增大到60％，并在加湿调节的过程中判断当 前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是，执行步骤2；否则，执行步骤 7；

7)智能控制模块控制空调的湿度调节单元保持当前的空气相对湿度；智能 控制模块判断来自当前的瞬时热感觉是否低于热感觉范围的下限值，如果是，执 行步骤8；否则执行步骤9；

8)智能控制模块控制空调的温度调节单元升高送风的空气温度，直至瞬时 热感觉落入热感觉范围中，执行步骤2；

9)智能控制模块控制空调的温度调节单元降低送风的空气温度，直至瞬时 热感觉落入热感觉范围中，执行步骤2。

进一步，所述步骤8中“智能控制模块控制空调的温度调节单元升高送风的 空气温度”具体为：智能控制模块根据下表获得预设的舒适运行等级下的温度控 制范围，在该温度控制范围内，以0.5℃的梯度升高送风的空气温度；

所述步骤9中“智能控制模块控制空调的温度调节单元降低送风的空气温 度”具体为：智能控制模块根据下表获得预设的舒适运行等级下的温度控制范围， 在该温度控制范围内，以0.5℃的梯度降低送风的空气温度；

温度控制范围

其中，供热工况是指空调处于制热模式下的状态，供冷工况是指空调处于制 冷模式下的状态。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提出的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，基 于目标区域环境舒适等级实现对目标区域环境的综合调节，按照《民用建筑室内 热湿环境评价标准》GBT 50785-2012对风速、湿度、温度三个参数进行综合控 制，保证其满足人体舒适要求，有利于改善目标区域的热舒适环境，促进建筑节 能减排，实现了全面调控《民用建筑室内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012 标准中影响舒适等级的参数，营造目标区域舒适热湿环境的能力更好。

2、本发明提出的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，根 据《民用建筑室内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012提出了三种供使用者选 择的运行等级：Ⅰ级，Ⅱ-h级和Ⅱ-c级，为使用者提供了更多的选择空间。

3、本发明提出的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，根 据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012提供的不同舒适度 等级下的环境参数的范围来设定风速、相对湿度、温度的调节范围，为调节提供 了导向，使调节过程更加迅速准确地落到预设范围，缩减了不必要的调节过程， 减少能耗。

4、本发明原理及参数设置科学，操作方法简单，易于控制与实现。

附图说明

图1本发明基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法主要应 用于具有加湿、减湿调节设备的空调中。例如具有以下现有的加湿、减湿调节设 备的空调：包括位于空调室内机蒸发器下方的冷凝水接水盘，接水盘通过水管与 室内机水箱连接；位于空调室外机的热交换器下方的冷凝水接水盘，接水盘通过 水管与室外机水箱连接；与室外机水箱的出水管连接的加压水泵，水泵通过软管 连接至室内机水箱；与室内机水箱连接的超声波加湿器。室内机水箱中设有手动 加水口，以便在箱内冷凝水储量不足时，自动补充自来水以供加湿。加湿模块工 作过程为：室外机冷凝水接水盘和室内机冷凝水接水盘将各自热交换器工作后产 生的冷凝水收集至各自水箱中，室外机水箱中的水通过加压水泵抽至室内机水箱 中，超声波加湿器对收集到的空调冷凝水，采用由机械振动产生超声波的方式将 其变成细小的水蒸汽，再释放到室内空气环境里。

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于 此。

一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统，包括风速调节单元、湿 度调节单元、温度调节单元，参数采集模块，舒适度计算模块及智能控制模块； 风速调节单元用于根据设定的风速进行送风；湿度调节单元用于根据设定的空气 相对湿度进行湿度调节；温度调节单元根据设定的温度控制送风温度；参数采集 模块安装在目标区域，用于采集目标区域的瞬时环境参数，并将其发送给舒适度 计算模块及智能控制模块；瞬时环境参数包括瞬时空气温度、瞬时空气相对湿度、 瞬时平均辐射温度、瞬时风速；参数采集模块包括膨胀式温度感应器、露点式湿 度感应器、球形黑球温度计、风速探头，膨胀式温度感应器用于检测目标区域的 瞬时空气温度，露点式湿度感应器用于检测目标区域的瞬时空气相对湿度，球形 黑球温度计用于检测目标区域的瞬时平均辐射温度；风速探头用于检测目标区域 的瞬时风速；舒适度计算模块用于根据来自参数采集模块的瞬时环境参数计算得 到目标区域的瞬时热感觉，并将瞬时热感觉发送给智能控制模块；智能控制模块 根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并根据热感觉范围和来自舒适度计算 模块的瞬时热感觉，来控制风速调节单元进行风速调节，控制湿度调节单元进行 湿度调节，控制温度调节单元进行送风温度控制，所述舒适运行等级包括Ⅰ级， Ⅱ-h级和Ⅱ-c级。

本发明实现了对目标区域环境的加湿调节，同时以PMV(即热感觉)热舒 适指标为控制目标，按照《民用建筑室内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012 对风速、湿度、温度三个参数进行综合控制，保证其满足人体舒适要求，有利于 改善目标区域的热舒适环境，促进建筑节能减排，实现了全面调控《民用建筑室 内热湿环境评价标准》GBT 50785-2012标准中影响舒适等级的参数，营造目标 区域舒适热湿环境的能力更好。

具体实施时，可将参数采集模块和舒适度计算模块设置在空调遥控器中，将 空调遥控器放置在目标区域。智能控制模块根据表1得到热感觉范围：

表1空调器舒适运行等级

所述“舒适度计算模块用于根据来自参数采集模块的瞬时环境参数计算得到 目标区域瞬时热感觉，并将瞬时热感觉发送给智能控制模块”具体为：舒适度计 算模块包括服装热阻获取单元、代谢率获取单元、中央处理单元及无线通信单元； 服装热阻获取单元用于根据用户输入的气候参数得到服装热阻；代谢率获取单元 用于根据用户输入的建筑类型得到代谢率；中央处理单元用于根据服装热阻，代 谢率和来自所述参数采集模块的瞬时环境参数，计算得到目标区域瞬时热感觉； 无线通信单元用于接收来自所述参数采集模块的瞬时环境参数，还用于将中央处 理单元得到的瞬时热感觉发送给所述智能控制模块。

具体实施时，无线通信单元的通信方式包括WIFI、无线射频、红外和/或蓝 牙。服装热阻获取单元按照表2确定服装热阻；代谢率获取单元按照表3确定代 谢率；

表2不同热工分区的服装热阻映射表

表3活动代谢率参数的确定

建筑类型 主要活动状态 活动代谢率M(met) 住宅 静坐活动 1.2 办公 静坐活动 1.2 商场 行走 1.6

目标区域的瞬时热感觉PMV按下式计算：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{PMV}=[0.303\exp (-0.036M)+0.0275]\times \{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-P_a]\\ -0.42(M-W-58.2)-0.0173(5.867-P_a)-0.0014M(34-t_a)\\ -3.96\times {10}^{-8}{f}_{c1}[{(t_{c1}+273)}^4-{(\overline{t_r}+273)}^4]-f_{c1}{h}_c(t_{c1}-t_a)\}\end{array}\right)$

其中，exp(i)＝eⁱ；M为代谢率；W为人体所做的机械功，取值为0；P_a为 环境的水蒸气分压力，t_a为空气温度，H为空气相对湿度；f_cl为服装的面积系数，I_cl为服装热阻；t_cl为衣 服外表面温度，为平均辐射温度，h_c为对流换热系数， v为风速；

所述“智能控制模块根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并用于根据 热感觉范围和来自舒适度计算模块的瞬时热感觉，来控制风速调节单元进行风速 调节，控制湿度调节单元进行湿度调节，控制温度调节单元进行送风温度控制” 具体为：智能控制模块包括通信单元、比较单元、控制单元及记忆单元；通信单 元用于接收来自所述舒适度计算模块的瞬时热感觉和来自参数采集模块的瞬时 环境参数；比较单元用于根据预设的舒适运行等级得到热感觉范围，并对瞬时热 感觉和热感觉范围进行比较；控制单元用于根据比较单元得到的结果来来控制风 速调节单元进行风速调节，控制湿度调节单元进行湿度调节，控制温度调节单元 进行送风温度控制；记忆单元用于在空调关机时，存储空调当前设定的风速，空 气温度和空气相对湿度。

一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调方法，如图1所示，由上述的 基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统运行得到，空调开机时，智能控制 模块读取记忆单元中存储的空调的风速，空气温度和空气相对湿度，并控制空调 按照读取的数据开始运行；智能控制模块实时接收来自所述舒适度计算模块的瞬 时热感觉和来自参数采集模块的瞬时环境参数，该空调调节方法包括以下步骤：

1)智能控制模块判断当前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是， 执行步骤2；否则，执行步骤3；

2)智能控制模块控制空调保持当前设定的风速，空气温度和空气相对湿度， 同时智能控制模块继续对瞬时热感觉进行监测，执行步骤1；

3)智能控制模块控制空调的风速调节单元送风的风速由0逐渐增大到 0.2m/s，并在增大风速的过程中判断当前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中， 如果是，执行步骤2；否则，执行步骤4；

4)智能控制模块控制空调的风速调节单元保持当前送风的风速；智能控制 模块判断当前的瞬时空气相对湿度是否大于50％，如果是，执行步骤5；否则， 执行步骤6；

5)智能控制模块对空调的湿度调节单元进行加湿调节，直至调节到当前的 瞬时空气相对湿度为60％；智能控制模块再次调节空调的湿度调节单元进行减湿 调节，将空气相对湿度由60％逐步减少到40％，并在减湿调节的过程中判断当 前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是，执行步骤2；否则，执行步骤 7；

6)智能控制模块对空调的湿度调节单元进行减湿调节，直至调节到当前的 瞬时空气相对湿度为40％；智能控制模块再次调节空调的湿度调节单元进行加湿 调节，将空气相对湿度由40％逐步增大到60％，并在加湿调节的过程中判断当 前的瞬时热感觉是否落在热感觉范围中，如果是，执行步骤2；否则，执行步骤 7；

7)智能控制模块控制空调的湿度调节单元保持当前的空气相对湿度；智能 控制模块判断来自当前的瞬时热感觉是否低于热感觉范围的下限值，如果是，执 行步骤8；否则执行步骤9；

8)智能控制模块控制空调的温度调节单元升高送风的空气温度，直至瞬时 热感觉落入热感觉范围中，执行步骤2；

9)智能控制模块控制空调的温度调节单元降低送风的空气温度，直至瞬时 热感觉落入热感觉范围中，执行步骤2。

具体实施时，若步骤3中风机以最大转速运行时仍不能使目标区域风速达到 0.2m/s(如目标区域距离空调距离较远时)，则在风机控制的目标区域风速范围 内使风速进行由大变小的调节。

本发明提供的基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法，严格按 照国家标准规定设置空调舒适运行等级及对应的PMV数值范围，并使空调器具 有加湿调节功能，通过获取空气温度、空气相对湿度、平均辐射温度、风速、代 谢率及服装热阻，计算平均热感觉指标PMV值，并与预设的舒适PMV值区间 进行比较，根据比较结果，智能调整空调器的送风速度、制冷/制热、加湿/除湿 的运行状态，使目标区域达到人体满意的舒适状态。本发明能够基于目标区域环 境舒适等级实现对目标区域环境的综合调节，保证其满足人体舒适要求，有利于 改善目标区域的热舒适环境，促进建筑节能减排。本发明原理及参数设置科学， 操作方法简单，易于控制与实现。

所述步骤8中“智能控制模块控制空调的温度调节单元升高送风的空气温 度”具体为：智能控制模块根据表4获得预设的舒适运行等级下的温度控制范围， 在该温度控制范围内，以0.5℃的梯度升高送风的空气温度；

所述步骤9中“智能控制模块控制空调的温度调节单元降低送风的空气温 度”具体为：智能控制模块根据表4获得预设的舒适运行等级下的温度控制范围， 在该温度控制范围内，以0.5℃的梯度降低送风的空气温度；

表4温度控制范围

其中，表4由《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012标 准给出，供热工况是指空调处于制热模式下的状态，供冷工况是指空调处于制冷 模式下的状态。

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，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以 对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和 范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。