与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法

1.本发明属于空调控制领域，具体涉及一种与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法。


背景技术：

2.空调房间由于密闭性强、空气流动性差、风量小、长时间不开窗、阳光不足，致病微生物容易滋生，空调机的风管、吹风机也适合病菌和病毒生存繁殖，病菌和病毒被空调吹送出来，易于引发较大规模的感染。室内外温差较大，也容易造成机体适应不良。在流行病高发的夏季，需要保持室内空气的流通，此时开空调无疑是对电能的一种浪费。
3.虽然，空调调节系统可以有效降低减少室内微小气候的影响，但由于室内环境新风量的不足，导致流动的新鲜空气得不到充分的补充，室内的空气处于不新鲜的状况，总是处在这种环境下的人群经常会有恶心和不舒服的感觉。对于相对湿度的控制若高于65％，会使人感到胸闷气短，当室内环境对于湿度的控制率低于30％时会对人体皮肤造成一定程度的损伤，导致人体出现一系列不适干燥的症状。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法，一方面解决空调送风效果较差、室内空气流动性差、室内外温差过大用户舒适度较差以及耗能过大的问题，另一方面实现根据不同温度条件及时调整输出自然风的平均气流强度。
5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
6.一种与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法，包括：
7.将空调与永磁直驱低速大风扇所模拟的风场相结合，根据监测到的室内温度或根据用户的输入操作，采用模糊pid控制策略对空调风机的控制进行仿真分析；
8.采用pmv-ppd指标评价人体舒适度，确定目标风速；
9.根据线性对应关系，确定与所述目标风速对应的目标转速，控制空调的风机按照所述目标转速进行运转，从而控制空调按照所述目标风速进行送风。
10.优选的，所述永磁直驱低速大风扇连接自然风机，利用空调的制冷供能与自然风机送风供能相结合，使建筑物内的用户体感温度始终维持在19℃～25℃。
11.优选的，所述模糊pid控制策略以误差和误差微分为输入量，输出量为pid控制器的三个参数的变化量
△
kp，aki，akd，结合pid控制参数的初始值得出实际pid控制参数。
12.优选的，所述的模糊pid控制策略当室内温度低于25℃时，仅开启永磁直驱低速大风扇并关闭空调，当室内温度高于26℃但低于28℃时，将永磁直驱低速大风扇制冷作为控制室内温度的主要途径；当室内温度高于28℃时，将空调制冷作为调控室内温度的主要方式。
13.优选的，所述采用pmv-ppd指标评价人体舒适度时，pmv舒适性指标的计算表达式
为：
14.pmv＝(0.082+0.303e-0.036
)
×
{(m-w)-3.05
×
10-3
×
[5733-6.99
×
(m-w)-pa]-0.42
×
[(m-w)-58.15]-1.7
×
10-5
×
m(5876-pa)-0.0014
×m×
(34-ta)-3.96
×
10-8
×fci
[(ta+273)
4-(tr+273)4]-f
cl
hc(t
cl-ta)}
[0015]
其中：
[0016][0017]
td＝35.7-0.028(m-w)-i
cl
{3.96
×
10-8
×fcl
[(t
cl
+273)
4-(tr+273)4]+f
cl
hc(t
cl-ta)}
[0018][0019]
式中：m为人体的新陈代谢率；
[0020]
w为人体对外做的机械功；
[0021]
pa为水蒸气分压力；
[0022]
ta为室内空气温度；
[0023]
tr为平均辐射温度；
[0024]fcl
为服装的表面积系数；
[0025]icl
为服装热阻；
[0026]
t
cl
为服装的外表面温度；
[0027]
hc为对流传热系数；
[0028]va
为空气流速；
[0029]
pmv与ppd之间的关系如下：
[0030][0031]
优选的，当用户通过遥控器自发调节建筑物内环境空气温度时，空调风扇联动系统通过温度传感器采集室内环境的温度，然后根据温度传感器采集的温度和设定的温度调节空调压缩机的功率和风扇的送风量，从而将建筑物内环境控制温度调节为用户的设定温度。
[0032]
优选的，所述的模糊pid控制策略当室内温度即将达到预期温度时，阶段输出的制冷送风序列延时时间依次缩短，制冷送风序列值依次减小，以此对制冷送风的频率和平均气流强度进行调整使其逐级降低；阶段输出的自然送风序列延时时间依次延长，自然送风序列值依次增大，以此对自然送风的频率和平均气流强度进行调整使其逐级降提升；通过二者联动使建筑内人员体表温度达到舒适区域并保持空气流通。
[0033]
优选的，通过温度感测装置监测室内温度，所述温度感测装置包括本体、设置于本体的温度传感器、控制器、无线通讯模块以及信号发射器；其中，所述温度传感器与控制器电气连接，所述控制器还与无线通讯模块以及信号发射器电气连接；所述温度传感器采集所述本体周围的环境温度并通过控制器以及无线通讯模块将环境温度发送给服务器；所述服务器通过无线通讯模块以及控制器与信号发射器通讯连接，所述服务器用于根据环境温度生成目标温度，所述服务器还通过所述控制器和信号发射器将空调的设定温度调节为目
标温度。
[0034]
优选的，对环境温度进行监测时，将所采集的环境温度输送至处理控制终端，处理控制终端对环境温度进行接收并进行处理，对环境温度处理得到对应的变化趋势值，通过变化趋势值对空调和永磁直驱低速大风扇的下一步操作进行判定生成判定信号，并将判定信号输送至启动单元内，通过对判定信号进行接收，对空调与永磁直驱低速大风扇的送风量进行控制。
[0035]
优选的，所述控制器内设置微处理器，所述微处理器的输出端电性连接有红外线发射器，所述微处理器电性连接有用于实时更新内部时间的时钟模块，所述微处理器内部设置有用于存储数据的存储模块，所述存储模块内存储有依据人体一天的体温曲线图设定各个控制信号的定时发送程序，所述微处理器依据所述时钟模块内的时间信息调用所述存储模块内的定时发送程序，控制所述红外线发射器向空调与永磁直驱低速大风扇发出控制信号。
[0036]
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
[0037]
采用空调与永磁直驱低速大风扇所模拟的风场相结合，保证系统送风量，避免室内空气流动性差等问题，与传统空调系统相比更有利于人体健康。通过用户人为操作与温度监测相结合，采用模糊pid控制策略对空调风机的控制进行仿真分析，研究控制效果，既保证舒适体感又可有效节能。本发明人体舒适度评价采用pmv-ppd指标，可以综合考虑影响人体热舒适的多种因素，包括空气温度、空气速度、相对湿度、平均辐射温度，人体代谢率以及服装热阻。通过永磁直驱低速大风扇送风降低用户体表温度，减少了建筑系统中空调制冷的出力比例，能够有效较低能耗，减少温室气体排放，对节能减排、实现低碳建筑的发展具有重要意义。本发明有效解决了空调送风效果较差、室内空气流动性差、室内外温差过大造成用户舒适度较差以及耗能过大的问题，通过对不同环境气温下输出的永磁直驱低速大风扇所模拟自然风场的平均气流强度进行调整，以此根据所处的不同温度条件及时调整输出自然风的平均气流强度，加强对人体的保护，这里调整输出永磁直驱低速大风扇所模拟自然风场的频率是指调整自然风序列延时时间，调整输出自然风的平均气流强度是指调整自然风序列值的大小，对于建筑内居民的体感以及对于体质较差的老人和孩子等人群的健康具有重要意义。
附图说明
[0038]
图1本发明实施例采用模糊pid控制策略对空调风机的控制进行仿真分析流程图；
[0039]
图2本发明实施例与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制系统示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0041]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0042]
本发明实施例的一种与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法，用于解决空调的送风效果较差、室内空气流动性差、室内外温差过大造成用户舒适度较差以及耗能过大的技术问题。要解决的另一个技术问题是，通过对不同环境气温下输出的永磁直驱低速大风扇所模拟自然风场的平均气流强度进行调整使其逐级增减，以此根据所处的不同温度条件及时调整输出自然风的平均气流强度，加强对人体的保护，对于建筑内居民的体感以及对于体质较差的老人和孩子等人群的健康具有重大意义。这里调整输出永磁直驱低速大风扇所模拟自然风场的频率是指调整自然风序列延时时间，调整输出自然风的平均气流强度是指调整自然风序列值的大小。因此，本发明的第一个目的在于提出采用空调与永磁直驱低速大风扇模拟风场相结合的策略，保证系统送风量，避免室内空气流动性差等问题，与传统空调系统相比，更有利于人体健康。本发明的第二个目的在于通过利用用户人为操作与温度监测相结合的方法，既保证舒适体感又可实现有效节能。
[0043]
本发明与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法，主要包括以下步骤：
[0044]
s1、将空调与永磁直驱低速大风扇所模拟的风场相结合，根据监测到的室内温度或根据用户的输入操作，采用模糊pid控制策略对空调风机的控制进行仿真分析；
[0045]
s2、采用pmv-ppd指标评价人体舒适度，确定目标风速；
[0046]
s3、根据线性对应关系，确定与所述目标风速对应的目标转速，控制空调的风机按照所述目标转速进行运转，从而控制空调按照所述目标风速进行送风。
[0047]
如图1所示，本发明与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制方法，采用模糊pid控制策略对中央空调风机的控制进行仿真分析，研究控制效果。既保证舒适体感又可有效节能。本发明实施例中提高人体舒适度评价采用丹麦学者fanger教授提出的pmv-ppd指标，本发明实施例在该指标综合考虑了影响人体热舒适的主要六大因素，包括空气温度、空气速度、相对湿度、平均辐射温度、人体代谢率和服装热阻。
[0048]
按发明目的设计的与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调节能控制系统包括：温度感测装置、用户操作输入装置、永磁直驱低速大风扇、中央空调以及控制装置。
[0049]
在本体的一端设有自然风机，所述本体的另一端设有中央空调，所述自然风机系统用于与永磁直驱低速大风扇和风速控制系统相连接，并与所述外部电源电性连接；所述中央空调用于与用户控制板面和自动测温系统连接，并通过线缆与所述电子设备电性连接。
[0050]
温度感测装置包括本体、设置于本体的温度传感器、控制器、无线通讯模块以及信号发射器，所述温度传感器与所述控制器电气连接，所述控制器还与所述无线通讯模块以及信号发射器电气连接。
[0051]
温度感测装置可以为智能家居设备，如：智能门窗，智能家居机器人等。
[0052]
通过温度感测装置实时采集室内的环境温度，通过无线发送接收模块将处理后的信息发送到控制装置的无线接收端。服务器通过所述无线通讯模块以及控制器与所述信号发射器通讯连接，所述服务器用于根据所述环境温度生成目标温度，服务器还用于通过所述控制器和信号发射器将所述空调的设定温度调节为目标温度。
[0053]
风机控制装置包括温度传感器，无线发送接收模块，风机驱动模块和同步时钟。风机控制装置通过对温度感测装置发来的信息进行处理，判断建筑内室温所处的状态，通过对不同温度阶段下输出的自然风序列延时时间依次延长货缩短，依次调整自然风序列值，以此对自然风的频率和平均气流强度进行调整使其逐级缓慢过度，保持舒适性。
[0054]
风机控制装置中的温度传感器对室内温度进行采集，通过形成一个闭合的回路将室内的温度保持在预设的温度范围。
[0055]
户操作输入装置可以为普通遥控器，手机终端，平板终端或电脑。
[0056]
中央空调工作模式分为两种：自适应模式和预设模式。
[0057]
自适应模式特点：全天采集建筑内温度，实时获取室内温度的动态状态，并且根据所处的状态对自然风的平均气流强度和频率进行调整。
[0058]
预设模式包括三种模式：白天模式，晚间模式和睡眠模式。
[0059]
预设模式：将一天分为若干个时间区间，在不同的时间区间执行不同的预设操作。这里的预设操作是指是启动温度感测装置，温度感测装置是否参与到对永磁直流电机大风扇的平均气流强度和频率的调整。早晨7点到下午18点，空调进入白天模式，晚7点到熄灯之前为夜间模式，供居民居住的建筑内还设有睡眠模式。在白天模式和夜间模式下温度感测装置参与对自然风的平均气流强度和频率的调整；在睡眠模式，需考虑室内外温差等因素影响较小，用户可根据自己的体感偏好来提前进行设置该系统温度，温度感测装置不参与对自然风的平均气流强度和频率的调整，温度采集终端处于休眠状态，以此节约能耗。
[0060]
预设模式可以培养人们良好的用能习惯。预设模式中的各个时间区间可以通过用户输入装置进行调整。
[0061]
白天模式下：温度感测装置开始工作，将采集到的室内温度信息发送到永磁直驱低速大风扇联动下的空调控制装置中的无线接收端，大风扇控制装置通过对心率或呼吸速率采集终端发来的信息进行处理，判断人体所处的状态，进而对输出的自然风的平均气流强度和频率进行调整。
[0062]
当在晚上7点时，空调进入夜间模式，晚7点到熄灯之前为准备进入睡觉的过渡区间，在过渡区间内，空调输出的平均气流强度和频率逐渐降低，空调的温度逐渐上升。
[0063]
由于风机的启动电流很大并伴有很大的噪音，为了降低功耗并且减小噪音，必须保证风机一直都处于转动状态，通过设置风机转动的最小驱动值，当自然风序列中的最小输出值小于风机最小驱动值时，风机控制装置将其处理为风机最小驱动值，以此保证风机一直处于转动状态。
[0064]
可以通过用户操作输入装置在不同的时间段里可以选择进入不同的工作模式。
[0065]
参见图2，为了实现本发明控制方法，本发明实施例与永磁直驱低速大风扇结合模拟自然风场的空调控制系统，包括温度感测装置、存储单元、处理控制终端、操控单元、启动单元、用户操作输入装置、永磁直驱低速大风扇、中央空调。
[0066]
所述温度监测单元和与处理控制终端输入端电性连接，所述处理控制终端与存储单元之间双向连接，且存储单元输出端与操控单元输入端电性连接，所述操控单元输出端与启动单元输入端电性连接，所述处理控制终端输出端与启动单元输入端电性连接；
[0067]
温度监测单元用于对室内以及室外的温度进行监测，采用温度传感器，其中室外温度传感器设置于对应的永磁直驱低速大风扇和中央空调外机外部，将所采集的室内以及室外温度数值输送至对应的处理控制终端内；
[0068]
处理控制终端用于对室内温度值和室外温度值进行接收，并对此类信号或数值进行处理，通过处理结果对大风扇和空调的关闭或开启进行判定；
[0069]
处理控制终端内部包括温度曲线模型、趋势计算单元以及数值判定单元，温度曲线模型输出端与趋势计算单元输入端电性连接，所述趋势计算单元输出端与数值判定单元输入端电性连接；并通过温度曲线模型对不同时间段的室内温度值变化曲线进行建立，建立完成后的变化曲线输送至存储单元内部进行存储，趋势计算单元对温度变化趋势值进行计算，数值判定单元根据所计算的趋势值进行判定，并将判定信号输送至启动单元内；
[0070]
温度曲线模型对室内温度数值进行实时提取，提取周期为a时间段，提取多个室内温度数值，再对实时时间进行记录，温度曲线模型将室内温度数值以及时间相对应，并建立对应的曲线图，将对应的曲线图输送至存储单元内部进行存储，外部人员可通过操控单元对存储单元内部所存储的曲线图数据进行调取，并根据所调取的数据进行手动控制开启时长，根据曲线图，操作人员可实时了解到室内温度上升趋势较快时间段以及平稳时间段，外部人员可通过操控单元对装置的开启以及关闭时间以及时间点进行控制，使其在指定时间点进行开启，再在指定时间点进行关闭。
[0071]
趋势计算单元可通过所采集的温度数值对温度上升趋势值进行计算，其中计算方式如下：
[0072]
以信号接收时间为初始时间，以t时间段为一个周期，并将对应时间节点标记为t，对室内温度进行提取，得到提取室内温度值c，t为1时，则代表初始时间点，t为2时，代表第二时间节点，t为正整数，其中t从1至2之间，间隔t时间段，t时间段为15min，从2至3之间也是如此；
[0073]
采用计算公式计算得到温度上升趋势值ch
t
，其中为预设修正因子，取值为0.98653；
[0074]
将计算得到的上升趋势值ch
t
，输送至数值判定单元内，数值判定单元内部设置有趋势阈值，其中趋势阈值由操作人员进行设定，将趋势阈值设定于q；
[0075]
当上升趋势值ch
t
≥q时，数值判定单元生成对应的开启信号，并将开启信号输送至启动单元内，启动单元可对装置进行控制，将空调和永磁直驱低速大风扇打开；
[0076]
空调和永磁直驱低速大风扇打开处于打开状态下，再对c
t+1
至c
t+2
的上升趋势值ch
t+1
进行计算，直到对应的ch
t+n
《q时，其中n属于t，n＝1、2、
……
、k，数值判定单元生成对应的关闭信号，并将关闭信号输送至启动单元内，启动单元接收到对应的数值信号，对空调和永磁直驱低速大风扇依次进行关闭；
[0077]
当上升趋势值ch
t
≤q时，数值判定单元不进行工作，直接对应的ch
t+n
≤q时，对设备进行开启，开启后系统处于运行状态，对上升趋势值ch
t
进行实时计算，并将计算结果输
送至数值判定单元内进行结果判定；
[0078]
处理控制终端对开启时间节点t以及关闭时间节点t+n进行提取，并与温度曲线模型内部横向坐标时间值进行相匹配，坐标时间值为24小时制，时间节点t为正整数，将对应的曲线路线进行标记，将标记后的曲线图输送值存储单元内进行存储。
[0079]
操控单元用于外部人员进行操控使用，为设置于室内的操控终端，操作人员可通过操控单元对存储单元内部的数据进行提取，并通过存储单元内部的中央空调与永磁直驱低速大风扇最佳开启坐标时间段对装置的开启时间段进行设定，当开启时间段设定完成后，处理控制终端则关闭，不进行工作，启动单元对门窗最佳开启坐标时间段进行接收，对开关时间进行设定；
[0080]
设定后的最佳开启坐标时间段需由外部人员对操控单元进行控制，将设定的数值进行取消，处理控制终端则开始启动；
[0081]
本实施例中的实验效果评价采用丹麦学者fanger教授提出的pmv-ppd指标，该指标综合考虑了影响人体热舒适的主要六大因素，包括空气温度、空气速度、相对湿度，平均辐射温度，人体代谢率和服装热阻，pmv舒适性指标公式描述如下：
[0082]
pmv＝(0.082+0.303e-0.036m
)
×
{(m-w)-3.05
×
10-3
×
[5733-6.99
×
(m-w)-pa]-0.42
×
[(m-w)-58.15]-1.7
×
10-5
×
m(5876-pa)-0.0014
×m×
(34-ta)-3.96
×
10-8
×fci
[(ta+273)
4-(tr+273)4]-f
cl
hc(t
cl-ta)}
[0083]
其中：
[0084][0085]
td＝35.7-0.028(m-w)-i
cl
{3.96
×
10-8
×fcl
[(t
cl
+273)
4-(tr+273)4]+f
cl
hc(t
cl-ta)}
[0086][0087]
式中：
[0088]
m为人体的新陈代谢率(w/m2)，常用的新陈代谢率的取值范围为59～69；
[0089]
w为人体对外做的机械功(w/m)，优选的人体对外做功的取值范围为0～1；
[0090]
pa为水蒸气分压力(pa)；
[0091]
ta为室内空气温度(℃)；
[0092]
tr为平均辐射温度(℃)；
[0093]fcl
为服装的表面积系数；
[0094]icl
为服装热阻(m
·
k/w)；优选的取值范围为0.045～0.225；
[0095]
t
cl
为服装的外表面温度(℃)；
[0096]
hc——对流传热系数(w/(m2·
℃))；
[0097]va
为空气流速(m/s)，常用的取值范围为0.2～3，优选的取值范围为0.25～2。
[0098]
pmv与ppd之间的关系如下：
[0099][0100]
上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经
过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。
[0101]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。