基于SET舒適指標的控制器

粟燁嶺

1 概述

能源是發展國民經濟,改善人民生活水平的重要物質基礎。能源的不足嚴重影響人類文明的進步。隨著社會的不斷發展,能源在不斷消耗,不可再生資源越來越少,可再生資源不斷地被破壞,能源問題已經成為全球關注的焦點。全球50%的能源被消耗在建筑當中,而空調在建筑中所消耗的能量在建筑能耗當中占絕大部分。因此,如果可以減少空調的開啟時間,通過合理地利用自然通風和電扇調風來滿足室內的舒適度,這樣節省的電量將是非常樂觀的,促使建筑節能的實現向前邁出了一大步。

在夏季,通過使用基于舒適指標SET的控制器來實現室內熱舒適的控制,與傳統的單純依靠開啟空調來實現室內的熱舒適相比較,在滿足室內熱舒適的前提下,該控制器的使用能夠很好的實現節能。

2 舒適指標SET控制器的模型建立

基于舒適指標SET控制器是通過VB編程來實現的。控制器是以PC機為核心,主機與控制終端之間用串口傳輸數據。這是屬于上位機與下位機的通信,PC是上位機,控制終端是下位機。

該控制器的控制模型具有以下兩個子系統:

1)PC的程序系統,用VB編程實現,對舒適指標SET進行計算,輸出的控制信號通過串口傳輸到控制終端。

2)控制終端的信號接收系統,通過串口適配器接收主機傳來的控制信號,并將各執行命令傳輸給電扇和空調。

控制終端的模型包括兩個模塊:一部分是命令執行模塊,另一部分是數據采集傳輸模塊。控制終端中的命令執行模塊包括三部分電路:可控硅觸發電路、過零檢測電路和紅外發射電路。可控硅觸發電路是用于控制電扇的開啟以及轉速的調節,當單片機輸出高電平,光耦被觸發,可控硅被觸發導通,風扇工作,輸出低電平則相反。過零檢測電路是對風扇的調速起到協助控制的作用。紅外發射電路是用于控制空調的運行狀況,單片機控制紅外發射管發射出紅外信號,從而控制空調的運行。控制終端中的數據采集傳輸模塊包括三部分電路:RS232通信電路、溫濕度檢測電路和風速檢測電路。RS232通信電路是電平轉換電路,用于實現與PC的通信。溫濕度檢測電路是用于檢測室內外的溫度和濕度,并將采集得到的信號傳輸給控制芯片,再由控制芯片通過RS232通信電路與PC實現通信。風速檢測電路是用于檢測室內外的風速大小,并將采集得到的信號傳輸給控制芯片,再由控制芯片通過RS232通信電路與PC實現通信。

3 基于舒適指標SET控制器參數的采集和控制原理

3.1 基于SET指標控制器系統的設計

通過對基于SET指標控制器的系統設計,最終要實現對實驗環境參數:空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度和風速的測量和控制,用VB編程的SET計算程序計算室內外的SET值,并由控制器發出指令,聯動控制電扇和空調,并作出是否開窗引入自然通風的指令。圖1,圖2分別是控制器的控制方式和控制策略。

3.2 基于SET指標控制器系統的硬件組成

1)控制器與傳感器。中心控制PC機為Intel奔騰(R)Core(TM)2,CPU1.80 GHz,240 G硬盤,2 G內存。SET控制器共用到兩組溫濕度傳感器、兩組風速傳感器和兩組銅—銅鎳熱電耦。溫濕度傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件,并在同一芯片上,與14位的A/D轉換器以及串行接口實現無縫連接。溫濕度傳感器輸出電壓2.4 V～5.5 V;濕度可檢測范圍0%～100%,測量精度不大于±1.8%;溫度可檢測范圍-40℃～123.8℃,測量精度不大于±0.3℃。兩組風速傳感器的測試原理都是基于熱膜風速原理,風速傳感器輸出電壓24 V DC,輸出為4 mA～25 mA標準信號,其中測試室內風速的風速傳感器的可檢測范圍 0 m/s～3 m/s,測量精度±0.06 m/s;測試室外風速的風速傳感器的可檢測范圍0 m/s～10 m/s,測量精度±0.2 m/s。2)數據采集儀與熱電耦。銅—銅鎳熱電耦(T型熱電耦)是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電耦。它的正極(TP)是純銅,負極(TN)為銅鎳合金。銅—銅鎳熱電耦是用于測試室內外的平均輻射溫度,與安捷倫數據采集儀相連接,安捷倫數據采集儀再直接與中心控制機PC機通過串口連接。銅—銅鎳熱電耦的測量溫區為-200℃～350℃,測量精度±0.5℃。3)SET控制器。SET控制器采用高性能、低能耗的AVR ATmega8單片機。它是低功耗8位CMOS微控制器。ATmega8的數據吞吐量可以高達1 MIPS/MHz。先進的RISC結構包括130條指令、32個8位通用工作寄存器、工作于16 MHz時性能高達16 MIPS等。它還具有23個可編程的I/O口,28引腳PDIP封裝,32引腳TQFP封裝,32引腳MLF封裝。工作電壓4.5 V～5.5 V,速度等級為 0 MHz～ 16 MHz。

3.3 控制系統軟件

基于SET指標控制系統軟件采用Visual Basic 6.0可視化程序設計語言編程,軟件采用了Windows圖形界面的風格,以多級菜單和窗口實現控制方式、控制對象、控制值的選擇和輸入。基于SET指標控制器系統軟件操作界面見圖3,所測得的所有數據會以Excel的形式每5 s自動存儲下來。

4 結語

本課題通過對基于SET指標控制器的制作,實現了室內熱環境的測量,通過自然通風、電扇調風以及空調的聯動控制實現熱舒適的控制,為節能的研究提供了重要條件。

[1] 巨永平,馬九賢.氣流運動及其與熱舒適關系研究的進展與評述[J].暖通空調,1999(4):21-22.

[2] 賈慶賢,趙榮義,許為權,等.吹風對舒適性影響的主觀調查與客觀評價[J].暖通空調,2000(3):55.

[3] 田元媛,許為全.熱濕環境下人體熱反應的實驗研究[J].暖通空調,2003(4):47.

[4] 徐小林,李百戰.室內熱環境對人體熱舒適的影響[J].重慶大學學報,2005(12):34.

[5] 歐陽沁,戴 威,周 翔,等.自然通風環境下的熱舒適分析[J].重慶大學學報,2005(5):64.

[6] 劉文杰,范良凱,繆小平,等.夏季使用風扇與舒適性空調節能的探討[J].制冷與空調,2005(8):43.

[7] 陳東升.分體空調不同新風引入方式熱舒適性實驗研究[J].建筑熱能通風空調,2007(11):77-78.

[8] 陳一飛.電動開窗器的特點及其在建筑自然通風中開窗控制的應用設計[J].門窗,2007(8):45.

[9] B W Jones,K Hsleh,M Hashinaga.The effect of air velocity on thermal comfort at moderate activity levels[J].ASHRAE Trans,1986,92(2):761-768.

[10] 韓 滔.基于動態熱舒適控制方案研究[D].成都:西南交通大學,2006.