基于室內環境評價指標的空調系統控制方法綜述

黃妙虹 廖云丹，2，3* 曹世杰，2，3

1 廣州大學土木工程學院

2 廣州大學建筑節能研究院

3 廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室

公共建筑是我國建筑的高耗能領域，2016 年我國公建總電力消耗為6896 億kWh[1]。其中空調系統能耗占比為50%～60%[2]，某些一線城市高達70%以上[3]。室內環境評價指標的選擇是降低公建能耗的關鍵。近年來許多人員對室內環境評價指標進行了探索[4-7]，個性化送風[8]、智能化通風[6-7]等節能型空調系統也得到快速發展。合理的評價指標應不僅能較好地表達室內熱質環境，還應能與空調系統的運行特征相互協調，實現系統節能運行[8-9]。為了更好地了解室內環境評價指標與空調系統控制的研究現狀，本文首先對傳統室內環境控制方法進行分析。接著，從熱舒適和室內空氣品質兩個維度論述室內評價指標及控制的研究進展。最后，對室內環境評價指標與控制所面臨的挑戰和發展趨勢進行了討論。

1 傳統空調系統控制方法

傳統的室內環境控制方法是以特定參數作為評價指標代表整個室內的熱環境與空氣品質，并將測得的參數與設定值進行比較，從而調節空調系統的控制參數。如圖1 所示，典型的室內熱環境控制理念是以空調系統的回風溫度代表室內熱環境，利用溫度差值設定控制算法調節冷凍水量或送風量，使代表溫度接近設定值，從而調節室內熱環境[6]。基于溫度設定值的控制，成本較低，操作簡單。但室內設備、墻體具有一定的蓄熱/冷能力，及空調系統存在的測量誤差、運行誤差、控制誤差等，導致空調系統溫度調節存在延滯性，造成大量的能源浪費[10]。實際上這種方式并不利于行為節能，無法充分體現個性化，動態的熱舒適[11]。同理，對空氣品質的控制常采用某個點的CO2濃度作為指標，進行新風量和通風量的控制。而這個指標實際上并不能代表呼吸區的CO2濃度及污染物分布情況，過量的通風導致了空調系統的能耗居高不下[13]。優化室內環境的控制，需要一個合理的評價指標描述室內環境狀況以指導空調系統的運行控制，提高能源效率。下文分別從熱舒適、空氣品質控制兩個角度出發，論述近年來室內環境評價指標研究進展以及如何結合這些指標進行空調系統的節能控制。

圖1 傳統室內環境控制方法示意圖

2 基于熱舒適評價指標的控制方法

建筑環境舒適度是指人們對客觀環境從心理和生理方面所感受到的滿意程度，是人體舒適感眾多因素綜合作用的結果，例如：空氣溫度、濕度、風速、人體的衣著熱阻等[14]。基于熱舒適需求的控制就是以熱舒適指標作為控制目標，對室內的空調系統進行控制[15]。傳統控制方法主要基于以上客觀參數與設定值的關系進行控制，缺乏對人員主觀感受的考慮。而實際研究表明，當室內人員感到具有對環境的控制能力時，更容易對環境感到滿意和舒適，并產生行為節能[15]。當室內人員具有表達主觀熱感覺并具有環境可控行為時，行為節能的潛力約為5%～20%[11]。因此，近年來許多學者對基于熱舒適需求的空調控制進行研究，開發了如基于PMV 的控制、基于熱感覺表達的控制、基于熱感覺預測的控制等方法。

基于PMV 的控制綜合考慮室內溫度、濕度、氣流速度、平均輻射溫度、服裝熱阻、人體代謝率六大因素，通過計算模型得出PMV 值表達人體熱感覺，根據PMV 指標偏差及偏差變化率，應用模糊控制邏輯[17]或神經網絡來求解PMV 值[18]實時修正得出最優的溫度設定值控制空調系統。這一類方法充分考慮影響人體熱舒適的各項反應，針對人員的主觀需求進行控制，并實時優化溫濕度設定值，可達到滿足熱舒適需求又減少通風量的目的。

基于PMV 指標的控制方法建立在人體穩態條件下能量平衡熱舒適方程的基礎上，并依賴于穩態方程，不適用于動態熱舒適的計算[19]，并且難以表達個性化需求[21]。為此，很多研究人員嘗試以其他指標來代替設定值進行控制，例如基于熱感覺表達的控制[20-22]。大多數人無法確定使他們感到舒適的室內環境參數確切值，但可以準確的表達當前冷熱干濕的熱感覺[22]。因此可以室內人員冷熱抱怨作為一項評價指標對空調系統進行控制[20]。在此基礎上Wang[5]等人利用人機界面（HMI）以用戶的熱感覺作為輸入信號，通過解釋器將模擬信號轉化成數字信號優化后發送給空調系統，如圖2 所示。

圖2 基于熱感覺表達的控制方法

基于熱感覺表達的控制方式與傳統控制方式相比這類方法，將關注的焦點轉移到室內人員上，充分體現了個性化。但頻繁的表達熱感覺可能會打斷工作者的思路、浪費寶貴的工作時間。針對這些缺陷，研究人員開發了基于熱感覺預測的控制方法[23]。此類方法是利用室內人員的生理參數（如心率、人體皮膚溫度等）作為描述室內熱狀況的評價指標，由在線自學習的方法建立用戶的個性化、動態的熱舒適模型，通過模糊邏輯來確定最優的溫度設定值，從而控制空調系統的運行滿足用戶熱舒適要求，如圖3。目前基于熱感覺預測的新技術主要有：紅外探頭遙測[23]、智能手環監測[7]等智能識別技術。這些技術的共同特點是受試者無需對室內環境的感受進行表達或進行相關操作。此方式的靈敏性較高，具備較高的可靠性，并且其測量與操作較簡單，可以用來評價穩態熱環境下的人體熱舒適程度。

圖3 基于熱感覺預測的控制方法

以上分析可以看出，基于熱舒適需求的新型空調控制方法是以人體舒適指標作為評價標準，并利用最優舒適值控制室內環境參數。與傳統空調控制方式相比，以熱舒適作為評價指標是將焦點轉移到了室內人員的主觀感受上，針對性和個性化更強，不但可提高人員的熱舒適感覺，還能利用室內人員的主動行為和優化控制方法來實現空調系統的節能運行[24]。由于室內環境的多樣性，人員活動的復雜性，個體的差異性，系統識別的精確性往往難以達到預期精度要求，增大了空調系統節能控制的不確定性和挑戰[25]。

3 基于空氣品質評價指標的控制方法

室內空氣的污染直接影響室內人員的健康，同時也是誘發多種疾病的關鍵因素。據統計室內空氣污染可導致27%的缺血性心臟病，18%的中風以及大量的兒童過敏性疾病[26-27。]良好的室內空氣品質不僅可以降低工作人員的曠工率，也有助于提高工作效率[25，28]。建筑通風能耗占建筑設備總能耗的30%～60%[29]，實現室內空氣品質的高效節能控制，關鍵要有完善的通風系統和高效的控制方法[30]。清華大學李先庭團隊在其研究中指出，室內環境多為非均勻環境，發展面向需求的高效氣流組織方式是實現室內環境高效節能控制的重要途徑[31]。發展面向需求的高效通風方式，關鍵是了解室內污染源的分布。在不斷變化的污染物衰減問題上，Cao[32]等開發了瞬態污染物擴散的降階通風模型能夠快速預測室內污染物的分布。在污染物濃度的控制策略方面，Nassif[33]利用在線控制將室內污染物進行分類，繪制成室內環境質量交互式地圖，識別出室內污染源最嚴重的地區，根據實際的需要動態調節風量。

在有效識別污染源分布的基礎上，許多更具針對性和靈活性的空調通風模式得到了發展，如層式通風[34-35]、多模式通風[36]等。相對于傳統的單一恒定通風模式，這些通風模式以污染源的分布作為控制對象（指標），進行局部區域的動態通風調節。例如，層式通風以呼吸區的溫度和污染物分布為指標，把處理后的空氣水平直接送入呼吸區，提高了送風的針對性和送風溫度，可實現在保證相同的舒適性和較好的空氣質量的同時，送風能耗相比傳統通風方式降低44%以上[37]。多模式通風則可通過污染物濃度分布的測試或預測，結合通風評價指標確定最優通風策略，使得污染物濃度和換氣效率達到最小值[36]，如圖4。實驗測試表明基于污染源預測的多模式通風控制可降低室內污染物濃度30%并節省通風能耗50%以上[36]。還有學者[38]提出一種基于CO2需求的通風控制策略（DVC），并提出室內污染物濃度與溫度之間存在一個最佳耦合。Fan[39]等對DVC 系統進行了能耗模擬，結果表明此方法在保證室內人員舒適的同時可提高通風效率，大大降低了系統能耗。Qin CC 等[40]通過建立最佳通風頻率預測模型，得出最佳換氣次數和通風節能率。而Qin C等[41]則開發了基于室外干球溫度聯合控制空調系統與風扇的通風效率來優化室內空氣品質并降低了空調系統能耗。另外，一些先進的算法，如進化算法[42-43]、遺傳算法[44]、神經網絡算法[36]等也常被用于通風率的控制，以期實現滿足空氣品質需求的同時降低空調能耗。

圖4 基于污染源預測的多模式通風控制策略

以上分析可以看出，對室內空氣品質控制越來越關注受控空間的污染源分布，并以動態控制方式來實現用最小的通風量來控制污染源的擴散和去除。相比于傳統粗放型的均勻空間CO2濃度控制方法，新的控制發展更能減少人員在受污染空氣中的暴露時間以及交叉污染，同時可大幅度降低通風能耗。然而，污染源的分布及擴散均屬于動態過程，快速識別技術和預測控制技術是關鍵所在。

4 室內環境控制面臨的挑戰

隨著人們對室內環舒適健康的追求和節能減排的要求，室內環境的控制已逐步走向局域化（非均勻性）、個性化和智能化，人員主觀感受、客觀參數預測、污染源的分布與預測等更具體化、更有針對性的評價指標也得到了應用，并促使了一系列新型節能控制方式的發展。然而，如何有效評價室內環境，并結合評價指標進行高效的空調和通風系統的控制，仍是一個國內外極具挑戰的科學難題。

首先，室內環境是熱質耦合的物理場，熱舒適與室內空氣品質之間存在著密切聯系。研究證明[45]在一定溫度范圍內，隨著室溫的升高熱舒適和室內空氣品質的變化趨勢是相同的。文獻[46]則指送風溫度增加時，熱浮力的負面影響增大、湍流擴散能力變弱導致CO2濃度升高、室內空氣品質變差，其實驗結果顯示送風溫度增加1 ℃將導致CO2濃度增加約1.2%。如何合理表達熱舒適指標與空氣品質指標之間的關系，并以有效的評價指標來描述室內熱質環境，從而優化空調系統的運行控制，是目前室內環境評價和控制面臨的一大挑戰。

其次，室內污染物和溫度分布存在時空非均勻分布特性。送風溫度從出風口到工作區存在著明顯的溫度梯度效應，送風溫差越大，溫度分層則越明顯，容易導致局部熱不適[47]。非空調區域的上部熱量聚積對空調區域的冷負荷產生的影響十分的顯著，熱量的遷移伴隨著大量的能耗損失[48]。而且污染物的分布和擴散速度則與通風模式、通風效率有很大關系。因此，如何有效描述室內污染和溫度的分布特性，對非均勻環境中的有效區域進行高效的控制，減少空調系統在其他空間中不必要的能源浪費，是室內環境控制的第二大難題。

另外，空調系統的控制朝著更加個性化、智能化的方向發展，要求空調系統具有快速響應特性。而空調系統是末端通風系統與冷源供給系統的耦合運行系統。空氣傳播的熱惰性，機械設備的滯后性以及冷量傳輸的延遲性，與末端快速響應需求之間形成了一個供冷可靠性，運行穩定性和系統能效性的耦合平衡問題[49-50]。如果無法有效平衡快速響應與系統特性之間的關系，系統能耗可能不能有效得到降低。因此，在表征室內環境控制需求的同時，如何將空調系統對室內環境控制的響應能力考慮在內，亦是進一步發展室內環境評價指標需要考慮的重要因素。

5 結語

本文對室內環境控制的評價指標發展進行了綜述分析。從發展趨勢可以看出，室內環境控制已從傳統的均勻空間概念逐步轉向空間局域化，提高受控空間的針對性。基于熱舒適需求的室內環境控制越來越關注室內人員的主觀感受，而基于室內空氣品質需求的控制則更傾向于對污染源的分布預測與動態控制。由于室內環境是熱質耦合的物理場，并且存在時空非均勻分布問題，而空調系統的響應特性對系統能耗影響較大，如何表征和評價熱質場之間的關系、室內環境與空調系統響應能力的關系，筆者認為，將是室內環境評價指標進一步發展需要考慮的重要因素。