王麗薇 林忠平*

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

建筑的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的70%左右[1]，合理使用自然通風(fēng)，通過(guò)開(kāi)窗通風(fēng)等手段可以降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)各國(guó)學(xué)者在熱舒適領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)[2]，在自然通風(fēng)環(huán)境中人們的舒適域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中提供的舒適域，而且舒適域也大于完全靠機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)的建筑[3]。由于自然通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力的不穩(wěn)定性，僅依靠自然通風(fēng)無(wú)法維持穩(wěn)定舒適的室內(nèi)環(huán)境，因此近年來(lái)出現(xiàn)了自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的混合通風(fēng)方式。因?yàn)楹茈y建立一個(gè)適合于控制的精確的數(shù)學(xué)模型，所以傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法對(duì)混合通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制[4]。模糊控制理論可以模擬人的思維方式并利用人們?cè)趯?shí)際控制過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)達(dá)到優(yōu)化控制的目的。本文采用模糊控制的原理，將人的控制經(jīng)驗(yàn)數(shù)量化，在控制過(guò)程中，自動(dòng)根據(jù)外界環(huán)境的變化控制住宅窗戶(hù)開(kāi)度大小。自然通風(fēng)動(dòng)力不足時(shí)，開(kāi)啟輔助風(fēng)機(jī)，調(diào)整通風(fēng)量的大小，達(dá)到控制室內(nèi)環(huán)境的目的。

1 模型選取及Sketch Up建模

混合通風(fēng)利用的室外溫度一般在22～30%℃范圍內(nèi)，可借助通風(fēng)對(duì)熱舒適性進(jìn)行調(diào)節(jié)的室內(nèi)溫度范圍是 20～28%℃[4]。文獻(xiàn)[5]、[6]研究表明東北地區(qū)夏季炎熱，室外通風(fēng)溫度低，室外風(fēng)速較大，具有良好的自然通風(fēng)潛力，因此選取黑龍江省省會(huì)城市哈爾濱的一個(gè)住宅公寓進(jìn)行建模和控制，使得研究更具代表性和應(yīng)用價(jià)值。本文選取了哈爾濱市三口之家的某一居民公寓，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化得到如圖1所示模型。

圖1 簡(jiǎn)化后sketch up房間模型

該公寓被簡(jiǎn)化為兩個(gè)臥室（西區(qū)為雙人主臥，東區(qū)為次臥）以及一個(gè)公共區(qū)域（北區(qū)），包括客廳、開(kāi)放式廚房、餐廳等，層高2.7 m。簡(jiǎn)化后住宅平面圖如圖2所示。窗戶(hù)均為水平推拉窗，高度均為2 m，實(shí)際可用開(kāi)窗面積分別 2.25m2、2.25m2、3.375m2。

圖2 簡(jiǎn)化后房間平面圖

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制邏輯

混合通風(fēng)系統(tǒng)使用模糊控制思想對(duì)室內(nèi)參數(shù)進(jìn)行控制，無(wú)須建立數(shù)學(xué)模型，只需用實(shí)時(shí)檢測(cè)的室內(nèi)外溫度、風(fēng)速值作為模糊控制器的輸入，通過(guò)模糊運(yùn)算后得到窗戶(hù)開(kāi)度和輔助風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的控制。影響熱舒適的參數(shù)很多，考慮到本系統(tǒng)的特殊性，在多個(gè)輸入中，室內(nèi)溫度是最重要的，因此本文以室內(nèi)溫度為控制目標(biāo)，根據(jù)室外溫度及風(fēng)速進(jìn)行模糊推理得到窗戶(hù)和風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)，并將室內(nèi)溫度作為反饋，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行修正。模糊控制的邏輯框圖如圖3：

圖3 控制框圖

2.2 模糊控制的模糊化,模糊推理以及解模糊過(guò)程

根據(jù)適合混合通風(fēng)的室外溫度（22～30%℃）、風(fēng)速（0～8m/s）條件，將輸入和輸出參數(shù)分別賦予NL、NM、NS、O、PS、PM、PL 七個(gè)語(yǔ)言值，即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，并映射到[-3，3]區(qū)間，然后建立隸屬度函數(shù)，本控制系統(tǒng)采取簡(jiǎn)單的三角形分布，如圖4所示。根據(jù)用戶(hù)實(shí)際使用不同感受，隸屬函數(shù)可進(jìn)一步的微調(diào)。

圖4 參數(shù)隸屬度函數(shù)

根據(jù)建立的語(yǔ)言值在Matlab中進(jìn)行隸屬函數(shù)設(shè)置以及IF…THEN…模糊規(guī)則設(shè)計(jì)，通過(guò)該規(guī)則進(jìn)行模糊推理并使用重心法進(jìn)行解模糊后，得到精確的輸出信號(hào)，可用于之后的Energy Plus建模以及模擬。模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的核心，本控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則如表1所示：

表1 模糊控制規(guī)則

2.3 控制系統(tǒng)搭建

基于2.1中所述的模糊控制的輸入輸出參數(shù)所建立的模糊系統(tǒng)，將適合混合通風(fēng)的室外參數(shù)進(jìn)行篩選后作為模糊控制系統(tǒng)的輸入，并加入室內(nèi)溫度反饋系統(tǒng)，二者綜合對(duì)開(kāi)窗機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。其中反饋系統(tǒng)中同樣采用模糊控制的方法將混合通風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度控制范圍分為7個(gè)等級(jí)，與室外溫度一起作為輸入量，經(jīng)過(guò)模糊推理、解模糊過(guò)程，進(jìn)一步對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行修正。其中反饋系統(tǒng)的隸屬函數(shù)以及模糊規(guī)則的設(shè)定過(guò)程與2.1以及2.2中所述類(lèi)似，由于篇幅原因不再贅述。控制系統(tǒng)圖如圖5所示，據(jù)此在Simulink中建立的仿真系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 控制流程圖

圖6 Simulink仿真模型

運(yùn)行仿真系統(tǒng)后可得到與室外參數(shù)相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，并將控制信號(hào)存儲(chǔ)在文件中，作為Energy Plus運(yùn)行的外部文件。

3 Energy Plus模擬及控制結(jié)果分析

3.1 模型完善

為驗(yàn)證該模糊控制系統(tǒng)對(duì)混合通風(fēng)住宅的控制效果，將通過(guò)Energy Plus進(jìn)行模擬從而得到控制參數(shù)——室內(nèi)溫度以及相對(duì)濕度等室內(nèi)參數(shù)。根據(jù)實(shí)際住宅的墻體材料、門(mén)窗材料等在Energyplus中對(duì)模型進(jìn)行完善，并根據(jù)一般三口之家生活習(xí)慣對(duì)人員，照明，設(shè)備進(jìn)行設(shè)定和時(shí)間指派，如表2、表3所示。人員，設(shè)備時(shí)間指派與照明類(lèi)似。

表2 各區(qū)人員、照明、設(shè)備情況

表3 各區(qū)照明情況時(shí)間指派

模型所選取某品牌輔助風(fēng)機(jī)，額定功率30 W，額定風(fēng)量220m3風(fēng)量，在Energy Plus的Ventilation:DesignFlowrate中輸入相應(yīng)其他參數(shù)。

3.2 控制信號(hào)時(shí)間表建立

由于22～30℃為適合混合通風(fēng)的室外溫度范圍，因此假定室外溫度在此范圍外時(shí)窗戶(hù)開(kāi)度以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均為0。結(jié)合2.3仿真控制系統(tǒng)中得到的控制信號(hào)，建立開(kāi)窗機(jī)及輔助風(fēng)機(jī)的時(shí)間表作為Energy Plus的輸入。

另外，由于本文研究對(duì)象為哈爾濱市內(nèi)某居民住宅，而Energy Plus提供的氣象文件為郊區(qū)氣象參數(shù)，因此與實(shí)際建筑的環(huán)境存在較大差異，尤其是風(fēng)速的差異，因此根據(jù)文獻(xiàn)[7]、[8]的研究結(jié)果將郊區(qū)風(fēng)速乘以系數(shù)0.6進(jìn)行修正。

3.3 模擬數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

為了更加真實(shí)地反映人體的熱感覺(jué)，本小節(jié)引入體感溫度對(duì)實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。體感溫度是熱平衡條件下，人體對(duì)實(shí)時(shí)綜合環(huán)境以熱感覺(jué)溫度表示的生物氣象指標(biāo)[9]。通常情況下體感溫度可表示為：

式中：Tg為體感溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃；RH為相對(duì)濕度；v為風(fēng)速，m/s。

本文引入最佳舒適溫度Ts，并進(jìn)行時(shí)空修正[10]，修正后的最佳舒適溫度為：

式中：φ為緯度；M為月份。

體感溫度與最佳舒適溫度Ts與最佳相對(duì)濕度RHs相關(guān)，一般 RHs取 50%。當(dāng) Ta≥Ts，RH≥RHs時(shí)：

當(dāng) Ta＜Ta，RHTaRHs時(shí)：

式中：Tg為體感溫度，℃；Ta為平均空氣溫度，℃；v為平均風(fēng)速，m/s；A為修正系數(shù)，由 Steadman所做的apparent temperature查表得到。當(dāng)RH＜RHs，濕度項(xiàng)不起作用。

將Energy Plus模擬結(jié)果中適合混合通風(fēng)的時(shí)間（室外溫度22～30%℃，共計(jì)1122 h）篩選出來(lái)后，采用上述公式進(jìn)行處理，得到采取通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度變化情況，如圖7～8所示：

圖7 采用混合通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度

圖8 不采用混合通風(fēng)控制系統(tǒng)的室內(nèi)體感溫度

由圖7～8可知使用模糊控制的混合通風(fēng)系統(tǒng)可使三個(gè)區(qū)域室內(nèi)溫度平均溫度達(dá)到25.7%℃，而不進(jìn)行通風(fēng)的模型室內(nèi)平均溫度則為27.4%℃，通過(guò)對(duì)比可知該模糊控制可將過(guò)渡季室內(nèi)體感溫度平均值降低了1.7%℃，使室內(nèi)體感溫度平均水平維持在較為舒適的范圍內(nèi)。

4 空調(diào)系統(tǒng)建立與節(jié)能結(jié)果分析

4.1 Energy Plus中分體空調(diào)建立

為與達(dá)到相同室內(nèi)溫度控制效果的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗對(duì)比，在Energy Plus中的各個(gè)房間設(shè)立分體空調(diào)，并進(jìn)行溫度控制，從而使室內(nèi)溫度平均值可控制在與混合通風(fēng)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)那闆r。具體室內(nèi)體感溫度控制值如表4所示。將該空調(diào)能耗進(jìn)行輸出如圖9所示，具體對(duì)時(shí)間積分后得到使用空調(diào)代替混合通風(fēng)時(shí)段的總能耗為280.5 kWh，夏季空調(diào)總能耗315.7 kWh。

表4 各系統(tǒng)室內(nèi)體感溫度控制結(jié)果

圖9 夏季空調(diào)能耗

混合通風(fēng)的推窗機(jī)選用某型號(hào)開(kāi)窗機(jī)，其具體參數(shù)見(jiàn)表5，根據(jù)本住宅窗戶(hù)大小及個(gè)數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到住宅混合通風(fēng)期間開(kāi)窗機(jī)所消耗電能約為0.24 kWh,開(kāi)窗機(jī)運(yùn)行時(shí)間極短，因此功耗極小，可以忽略不計(jì)。將輔助風(fēng)機(jī)的參數(shù)輸入Energy Plus，并根據(jù)不同風(fēng)量系數(shù)下的運(yùn)行結(jié)果，擬合出部分負(fù)荷能耗曲線，風(fēng)機(jī)能耗由其部分負(fù)荷曲線（圖10）和風(fēng)機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算后得到，整個(gè)混合通風(fēng)期間總能耗為25.5 kWh。對(duì)比空調(diào)系統(tǒng)的能耗可知使用本文所使用的控制系統(tǒng)能耗節(jié)省了254.8 kWh的電能，節(jié)能效果明顯。

表5 開(kāi)窗機(jī)參數(shù)

圖10 輔助風(fēng)機(jī)部分負(fù)荷能耗曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)一間實(shí)際居民住宅進(jìn)行建模與簡(jiǎn)化，在Matlab中建立仿真控制系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度使用模糊控制的方法進(jìn)行控制，并在Energy Plus中進(jìn)行模擬，分析控制結(jié)果并進(jìn)行能耗對(duì)比可得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)建立合適的控制邏輯及規(guī)則，模糊控制方法在混合通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果比較好，在過(guò)渡季可實(shí)現(xiàn)房間體感溫度2℃左右的下降。

2）自然通風(fēng)潛力較大的地區(qū)，如哈爾濱市，若合理利用自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)，在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的同時(shí)可節(jié)省相當(dāng)可觀的電能。

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