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北京化工大学预十学位论文 空调系统和照明系统的节能控制研究 摘要 建筑物的能耗问题逐渐得到大家的关注，尤其是空调和照明耗能问 题，现在，建筑物的节能已经是一个世界性的潮流，我国的建筑节能工作 起步u 寸问晚、水平低，因此本课题是国内亟待深入开展的一项比较前沿的 应用型课题。本课题研究的主要内容如下： 现有的空调系统基本都采用的是新风回风比固定的控制方式，结果是 在人多的时候因为没有足够的新风而使得空气品质低下，而在人少的时候 引入大量新风造成电能的浪费。针对上面的问题，本文提出了新风量随动 的控制方式，就是根据室内c o ：浓度对新风量进行控制，这样既能满足 人们对舒适嫂的要求，又能达到节能的效果。以c 0 2 的浓度作为的控制 对象，用模糊控制方法进行控制。 在温度控制方面，本论文采用的是通过对f a n g e r 热方程的定量计算 得i 也人刷热舒适度的温湿度，这种基于热舒适度指标的控制方式同时考虑 了人体因素和环境因素对热舒适度的影响；把风机的频率作为直接的控制 对象，采用模糊控制的方式对风量进行控制，从而达到对温度控制的目的。 针对照明节能问题，本论文采用的图像处理的节能控制方法，把各个 区域的照度都调到人感觉舒服的大小，用c c d 照相机拍成标准的图片； 在| 常照明中，可以不断的将拍到的照片与标准图片进行比 较，丘i f 果徊：洪差的范围内，不调整照度，若超出，可以对照度进行及时的 调整；如果将上述方法和红外技术结合使用，可以更好的实现照明节能， 并且实现高质量的照明。 本论文对新风量的控制、温度控制还有图像处理用 m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 进行了仿真，仿真结果良好，为实际的楼字节能提供 理论的依据和参考。 关键词：节能，热舒适性，变频，模糊控制 i i 北京化工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fe n e r g ye f f i c i e n c y c o n t r o lo na i r c o n d i t i o ns y s t e m a n di l l u m i n a t i o ns y s t e m a b s t r a c t p e o p l ep u tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ei s s u eo fb u i l d i n gc o n s u m p t i o n ， e s p e c i a l l ya i r - c o n d i t i o nc o n s u m p t i o na n di l l u m i n a t i o nc o n s u m p t i o n n o w , e n e r g ye f f i c i e n c yi nb u i l d i n gi s aw o r l dp r o b l e m ，b u ti nc h i n ai ti su n d e r d e v e l o p e da n db e g i n sv e r yl a t e ，s or e s e a r c ho ne n e r g ye f f i c i e n c yi nb u i l d 吨i n c h i n ai sap r e s s e dp r o b l e m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s t h ec u r r e n tp r o p o r t i o no fn e ww i n da n db a c kw i n di sc h a n g e l e s sm a k e s t h ec h a r a c t e ro fa i rb e c o m ep o o rw h e nt h e r ea r eal o to fo f f i c ew o r k e r sa n d w a s t e se n e r g yw h e nt h e r ea r ef e ww o r k e r sa i m e da tt h ep r o b l e mo fa i rq u a l i t y a n de n e r g y e f f i c i e n c yq u e s t i o n ，t h ea m o u n to fn e ww i n di sc o n t r o l l e db y d e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d e ，t h u sa c h i e v et h ep u r p o s et oc o n t r o li n d o o ra i r q u a l i t yr a t i o n a l l ya n ds o l v et h ep r o b l e mo fl o wa i rq u a l i t ya n de n e r g yw a s t i n g t h ed e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d ei st h et a r g e tt ob ec o n t r o l l e da n dw ec o n t r o li t b yf u z z yc o n t r o l t os o l v et h e p r o b l e mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l ，c o n t r o lm e a n sb a s e do n f a n g e re q u a t i o nw h i c hi n c l u d en o to n l yt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t f a c t o r sb u ta l s ot h ei n f l u e n c eo fb o d yf a c t o r s w ec h o o s ec o m f o r tc o n t r o l i i i 北京化工大学硕j 学位论文 m e t h o di nw h i c ht e m p e r a t u r ee s t a b l i s h i n gv a l u ei sa s c e r t a i n e db yh u m i d i t y , a i r v e l o c i t ya n dr a d i a n tt e m p e r a t u r e i nt h i sm e a n ，a i rt e m p e r a t u r ei st h et a r g e tt o b ec o n t r o la n dw ec o n t r o li tb yf u z z yc o n t r o l t os o l v et h ep r o b l e mo fi l l u m i n a t i o ne f f i c i e n c y , c o n t r o lm e a n sb a s e do n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，u s i n gc c dc a m e r at a k e si m a g ew h i c h i st h e s t a n d a l di m a g eu n d e rt h em o s tc o m f o r t a b l ei l l u m i n a t i o n ，a i m st of i n do u tt h e e r r o rb e t w e e nt h ei n s t a n ti m a g ea n dt h es t a n d a r di m a g e ，t h ep r o g r a mw i l l a u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ev a l u e o fi l l u m i n a t i o nw h e nt h ee r r o ri so v e rt h e a ll o w a b l ee x t e n t t h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n di l l u m i n a t i o nm o d e r a t i o nw i l lb e a c h i e v e di ft h et e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v ei sc o m b i n e dw i t ht h ei n f r a r e d t e c h n o l o g y c o n t r o lo ft e m p e r a t u r e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dt h ea m o u n to f n e ww i n di s e m u l a t e db ym a t l a b 6 5 s i m u l i n ka n dt h er e s u l t sd i s p l a yt h a tt h ee f f e c to f c o n t r o li sv e r yw e l l k e y w o r d s ： e n e r g ye f f i c i e n c y , t h e r m a lc o m f o r t ，f u z z yc o n t r o l ， f r e q u e n c ya d j u s t m e n t 北京化丁人学硕 学位论文 符号说明 挥发性有机物 平均热感觉指标 预期不满意百分率 室内空气质量 定风量 变风量 电荷耦合器件 楼宇自动控制系统 供热通风空调 输入设定值 误差 误差变化率 偏差e 的量化因子 控制对象的输出 误差e 的模糊语言变量 误差变化率e c 的模糊语言变量 模糊控制器的输出“的模糊语言变量 偏差e 的量化因子 偏差变化率e c 的量化因子 输出u 的量化因子 房间体积，m 3 房间内c 0 2 浓度( 体积百分含量) ，1 0 - 6 单位时间内进入房间的新风量，m 3 - 5 j 房间内人c 0 2 的散发率，m 3 s 。 扰动 阀门的开度 有效温度 人体能量代谢率，m e t 人体所做的机械功，w m 0 人体周围空气的温度，k 穿衣服人体外表面积与其裸身表面积之比 衣服热绝缘系数，c o t 表而传热系数 m啪啪叫w咖|鲁一， 。 。 y e胛u疋如蜀y g q毋r+盯m彬l鼬虬 北京化t 人学坝 j 学位论殳 皮肤温度，k 空气的流动速度，m s o 墙体的平均辐射温度，k 墙体的平均辐射温度， 空调房间的容量系数，k j - i c 2 空调房问的空气温度， 送风量，m l h o 空气的比热，k j k g i c l 送风温度，k 空调房间内散热量变化，l ( j 回风量，m 3 。 室外空气温度，k 进入室内的冷量，k j 从室内出来的冷量，k j 空调房间的热阻，d 空调房间的热容，脚取。o 一 空调房间的时间常数 室内稳定时空气的质量，磁 空气密度，k g - m 。 单位时间内室内空气更换的质量，k g s 。 传递函数 电源交变频率，厶b 电机定子磁极对数 转差率 同步转速，t a d s 。 实际转速，r a d s 。 单位时间内进入房间的新风量，m 3 s 。 x 珀 b l印n螈。 疋 铷胁9皿吩q r 小 。甄耶，p。 o 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：院蕾所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 主觅! 豪 日期： 兰2 ! ! 主 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：巨塞壹日期：圭! ! ：! 主 导师签名： 壶l 邀叁 日期： 坦全么：! 墨 北京化工大学硕士学位论文 1 1 我国建筑能耗状况 第一章绪论 我国城镇民用建筑能源消耗按其性质可分为如下几类：a ) 北方地区供暖能耗，目 前城镇民用建筑供暖能耗按标准煤计平均约为2 0 k g m 2 。，城镇民用建筑供暖面积约 为6 5 亿m 2 ，此项能耗约占民用建筑总能耗的5 6 5 8 ：b ) 除供暖外的住宅能耗( 照明、 炊事、生活热水、家电、空调) ，折合用电量为l o 3 0 k w h ( m 2 a ) ”1 ，目前城镇住 宅总面积接近j o o 亿m 2 ，约占民用建筑总能耗的1 8 2 0 ：c ) 除供暖外的一般性非住 宅民用建筑( 办公室、中小型商店、学校等) 能耗，主要是照明、空调和办公室电器等， 年川u 鞋扫二2 0 4 0 k w h ( m ? a ) 之问，约占民用建筑总能耗的1 4 1 6 ：d ) 大型公共 建筑( 高档1 j 字楼、星级酒店、大型购物中心等) 能耗，此部分建筑总面积不足民用建 筑总面积的5 ，但单位面积年用电量高达1 0 0 3 0 0 k w h ( m 2 a ) 。，因此总用电量占 民用建筑总用电量的3 0 以上，此部分建筑能耗占民用建筑总能耗的1 2 1 4 ，是非常 值得天 ：的部分。卜述分析之所以把供暖能耗分出是因为此部分能耗以直接燃煤和热 电联产之排热为主，而其他部分能耗则以用电为主：之所以把非住宅民用建筑分为一 般( c ) 与大型( d ) 是因为这两类建筑的单位面积用电量差别巨大。 目前我国正处在城市化高速发展的过程中。为适应城镇人口飞速增长的需求和继 续改善人民生活水平的需要，在2 0 2 0 年前我国每年城镇新建建筑的总量将持续保持在 】o 亿m 2 a 左右，到2 0 2 0 年新增城镇民用建筑面积将为1 0 0 1 5 0 亿m 2 。由于人民生活水 平提高，供暖需求线不断南移，新建建筑中将有7 0 亿m 2 以上需要供暖，1 0 亿m 2 左右为大 型公建( d ) 类，按照目前建筑能耗水平，则需要增加的用于供暖的能量按标准煤计达1 4 l t a ，需增加的用电量达4 0 0 0 亿4 5 0 0 亿k w h a 。这将成为对我国能源供应的巨 人j l ；j 。 般性i ：住宅l 也，l f 建筑( c ) 的能源消耗性质接近住宅，其照明和电器耗电更大，但 炊事干生活热水能耗要小。改善建筑设计可降低空调和照明能耗，推广节能灯具及其 他用电设备可减少电耗，这两项措施应能使此类建筑能耗降低3 0 4 0 ，在新增的此 类建筑中采取有效措施改善自然采光，减少空调能耗，推广诸如液晶显示器这样的节 能i 乜器，有呵能使新建一般性非住宅建筑的单位面积能耗降为目前水平的一半。这样 有可能在新增6 0 7 0 此类建筑后，这一类建筑总能耗的增加不超过1 0 。 值得注意的是大型公共建筑( d ) 。此类建筑目前仅占城镇总建筑面积的5 6 ， 但其用电量为1 0 0 3 0 0 k w h ( m 2 a ) ，为住宅建筑用电量的1 0 倍以上( 不包括供暖) 。 在我国大型和特大型城市，这类建筑的总耗电量大于当地住宅的总电耗。“九五”到 北京化t 人学硕【洋位论文 这将导致建筑用电量的急剧增加，因此必须采取有效措施，抑制这部分能耗的增加。否 则至2 0 2 0 年仅新建的大型公共建筑用电量就会达j i i j 2 0 0 0 亿k w b j a 。此类建筑中，空调 用电占5 0 6 0 ，照明用电占2 5 3 5 ，其余为电梯和电气设备用电。与发达国家 帕比，我国此类建筑的平均能耗值高于e l 本水平，与美国的平均值大体接近。 根据近3 0 年来能源界的研究和实践，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜 力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张、解决社会经济发展与能源供应不足 这对矛盾的最有效措施之一。 1 2 智能大厦空调系统节能研究现状 1 2 1 智能大厦空调系统耗能现状 随着国民经济的高速发展，近年来国内建造了大量的高层建筑。其中大部分为商 用办公楼，拥有智能化设施。作为2 1 世纪高速信息公路网一个节点智能建筑已经并将 发挥重大的作用。另一方面，需要高度重视的是，近年来随着生活水平的提高，空调使 用大量增加，城市空调高峰用电迅速增长，某些城市甚至达f u 2 5 4 09 6 。随着我国经 济的发展和城市化水平的提高，中央空调的使用将越来越普遍：但中央空调的能耗很 人，约占建筑能耗的6 0 7 0 ，应成为建筑节能的重点。 空调在国内建筑物中的普及率不断提高，中国已经成为继美国、日本之后的世界 第三大空调市场，占世界空调市场的1 2 。这主要归因于房地产市场的蓬勃发展和人 民生活水平的迅速提高。 j h 我剥，渊鄙足依靠电力驱动，每年家用空调形成装机量约3 0 0 0 万k w 。中 央空调部分的能耗也增长迅猛，但是目前国内兴建的采用中央空调的公共建筑普遍存 在着高能耗的问题，给各城市的供配电带来了沉重的压力。 由于空调具有使用时间集中，季节性负荷大的特点，还加重了峰谷电量差距的矛 盾，电网负荷率下降，造成电力设施的资源浪费。进几年新建的电厂、电网仅为满足 电力空调全年i 3 个月的运转，直接导致电力设备负荷利用小时数的下降，目前全国 有2 0 0 0 多万千瓦的电力设施和电网转为空调服务，而其利用率只有1 0 ，相当于国家 投入的2 0 0 0 亿巨资却有9 0 时间在闲置。随着经济的发展和人民生活水平的提高，空 调用电量会以比较高的速度增长，空调用电负荷占全国电力负荷的比重会更大，空调 川一u 会川黜 三1 f | ”q 家能源友全战略和国民经济的可持续发展。 随着经济的不断发展和生活水平的不断提高，人们对大厦内空气的舒适度提出了 更高的要求，现在大厦内的温度设定值是由工程管理人员手动设定的，在夏季，人体 热舒适性的温度范围是2 46 c 2 8 。c ，这存在很大的误差空间，因此常出现室内温度与 丁作人员的舒适要求相差较大，甚至严重背离的情况。就舒适度来说，现有的控制方 北京化工大学硕士学位论文 式仪以温度为控制对象，没有考虑空气湿度、人体活动量、衣服热阻、c 0 2 浓度、 t v o c ( t o t a lv o l a t i l eor g a n i cc o m p o u n d ) 浓度等因素的影响，因此，智能大厦现 有的控制方式必然造成室内空气品质低下，无法满足室内工作人员的舒适度要求。 总体束看，智能大厦的空气调节系统相对的简单和落后，难以适应人们对室内舒 适度的要求，凶此，改进空气调节系统以及实现其自动化的控制，是我国空气调节系 统的发展方向。 1 2 2 国内研究的现状 在国内，很多学者和专家对空调节能问题进行了深入的研究和实践，提出了很多 很好的方法和建议。例如福建省建筑研究院的邵南老师提出了最小新风量控制的理论 “”，新风量一般设定在送风量的20 30 。可以检测室内二氧化碳浓度，对比允 许浓度，减小新风鼍的输入。 | 1 1 济人学社区信息化与智能建筑研究中心的孙靖和程大章教授提出了基于逐时 窄调负荷预测的冰蓄冷优化控制策略“”。冰蓄冷空调技术是九十年代以来在国内外 兴起的一门实用综合技术，可以对电网的电力起到移峰填谷的作用一在用电低谷、电 价较低( 或中央空调不需要工作) 时开始制冰，蓉存冷量；而在用电高峰、电价较高 ( 巾央空调需要工作) 时停止制冰、同时依靠冰的融化来制冷，从而完成能源利用在 时问：的转移，节省运行费用，降低运行成本。这是转移高峰电力、开发低谷用电、 优化资源配置、保护生态环境的一项重要技术措施，负荷我国的长期国策。虽然冰蓄 冷中央空调的运行费用比常规中央空调少，但一次性投资较大，而且在技术方面还有 很多不成熟的因素存在。此外，冰蓄冷中央空调的推广还和政府对能源的政策有密切 的关系。 同济大学的钱以明和杨书明教授对v a v ( v a r i a b l ea i rv o l u m e ) 系统中新风量的控 制进行的研究“，变风量空调的基本原理正是通过改变送入各房间的风量( 或者进 入未端肛油l 舷管) 及温度来满足室内人员对房间不同温湿度的要求，同时自动地适应 率外环境对建筑物内温湿度的影响，真正达到所需即所供。同时，也可以满足不同人 州 协j 瞍的小i ij 需求，实现节能。相关推算证明，将一个定风量系统改造成变风量 系统，其全年能耗会减少3 5 以上”。 在2 0 0 5 年智能建筑b a ( b u i l d i n ga u t o m a t i c ) 系统与建筑节能研讨会上，就空调节能 方面，与会的专家提出了具体的解决方案，如变频技术，变频空调就是通过改变频率 束涮捺j l i 缩机功率，使得其在达到设定温度后进入低频运转阶段，而提高了空调的能 效比。另一方面，应用了变频技术的空调机降低了开关损耗。此外，在使用变频技术 后，空调机启动时电压波动较小，可以在低电压和低温条件下肩动，这样一来对于某 些地区由于电压不稳定或冬天温度较低，空调难以启动的难题，有一定的改善作用。 北京化工大学硕士学位论文 u k 验i j i i 虮增加，殳频技术丁实现节能超过3 0 。还有专家提出的热回收技术和系统的 自动控制系统b a s ( b u i l d i n ga u t o m a t i cs y s t e m ) 等等作为节能的方法。 1 2 3 国外研究的现状 在国外，专家丌始研究采用反射性较强的材料来做屋顶，这样在夏季就可以节约 制冷空调的耗电量“；一些专家做出专业的软件来计算大厦的冷耗量“”；还有一些 研究人员提出树荫对空调系统的节能能起到很大的作用“”；美国佛罗里达大学的卡 尔博士提出了三个空调系统节能方法“”，即提高换热器的换热效率、使用一种压缩 浦剂提高蒸发器和凝结器的热交换、使用干燥剂对室内除湿；变风量系统的提出已经 育很多勺i 了，n ! 是由f 建筑物的复杂性以及与末端装置连接的困难使得它并不是特别 的普及，另外不同的建筑使用变风量系统后节能效果也是大不相同，像湿热环境下使 j 变风蕈系统的节能性就几乎体现不出来，但是变风量系统的节能潜力还是可以肯定 的。“。在近似封闭状态的大厦内，空气首先进入压缩机进行压缩，空气的压力和温度 随之上升，高气压可以形成大的气流，这有助于新风进入风道，但是高温确实我们不 想要得；所以制冷剂特别的重要，经过制冷剂的降温，气温会下降；在经过一个空气 膨胀的过程，空气的温度就达到我们理想的数值，这时候就可以将新风打入风道进行 热量的交换；通过对制冷剂的选择和减少整个过程的热损失可以节约能源。还有冰 誉冷以发冷最网收等方面的研究。 1 3 建筑照明节能研究现状 1 3 1 建筑照明系统耗能现状 随着建设事业的迅速发展，我国电力发展很快，1 9 9 6 年全国发电量已达到1 0 8 1 3 亿k w h 。但是电力供应不足和效率低下的状况依然比较严峻，而且今后相当长时间内 这种状况将继续存在。据估计，我国年照明用电量占总发电量的1 0 左右，而且以低 效照明为主，节能潜力很大。改革开放以来，我国照明工业有了很大的发展，已成为 世界照明灯其的生产大国。但我国照明电光源中，节能灯仅占很小的份额，今后应该 大力发展节能灯具，杜绝照明中的浪费能源现象。改革开放以来，各城市建设迅速发 展，新建筑不断崛起能源消耗量逐年上升，照明用电水平也逐年提高，如不采取照 明节电措施，势必会造成相当大的用电缺口，因此，建筑照明节能势在必行。 跑竹2 t 纪的术临，我们进入了一个智能化高度发展的时代，新世纪的智能大厦 按照传统的照明控制方式已不能满足其更高标准的要求。由于高质量的照明对创造良 好的工作环境、提高工作效率起到至关重要的作用，因此智能化照明控制将逐渐取代 北京化工大学硕士学位论文 传统的开关控制。 绿色照明已经正式列入国家计划，终端节能优先的观念已经深入人心，不论是公 共照明、大楼商业照明还是家庭照明，节能灯具已被使用，但是智能照明控制系统往 往被忽视，真正的绿色照明应该是智能照明控制系统与节能灯具的合理组合。 智能化照明管理系统应具有和传统开关一样控制灯的开关和调光的功能，而且有 f j 动探测设备能感测诸如人体运动和周围环境照度，以自动控制灯的开关及调光。还 j 皿嘎允许j 蚶l t l j ：| j 控系统集成，实现相互控制，并可集中监控，以方便物业管理。 系统应具有节能、减少布线、便于维护、扩展，且安全、可靠的特点。智能化照明管 理系统主要运用了计算机控制、分布式系统、通信技术和图像界面显示等技术以实现 智能化控制“”。 1 3 2 国内研究的现状 节能照明是绿色照明的基础，为了实现节能照明，国内的研究人员提出很多节能 的方法。戴瑜兴和汪鲁才提出了采用高效节能灯具和高效长寿电光源的提议让”：他 们人还提h 5 了基于图像处理技术的智能照明控制研究“”，基于一种高效、节能以 及施| 2 力便的智能照明思想，提出了利用图像处理技术来自动检测照度和是否有入 走动，并以之来控制照明的方法，这也是照度控制的方法，不过使用的不是照度传感 嚣，斯是通过c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 照相机拍摄图像与标准图像进行比对，如果 误差在允许的范围内，对照度不进行调节，如果照度误差超出允许的范围，就对照度 进行调节的一种方法，这种方法不用铺设大量的线缆，免去了很多的控制回路，是很 好的一种节能控制方法。张承慧和李洪斌提出了城市照明控制中应用模糊决策方法 “，为改善城市照明效果、节约电能及降低损耗，研制了一种基于微处理器的高压 断路器智能控制系统，它采用延时滤波消除环境照度尖峰干扰( 如闪电) ，利用模糊 决策理沦i j 别突变持续性干扰( 如焊光、车灯) ，实现了可靠识别，并结合环境照度 自动控制路灯变压器的通断，避免了断路器的抖动现象。还有红外传感技术在国内外 都已经得到应用。 1 3 3 国外研究的现状 美囡的瑞克教授提出了利用白天自然光的方法来节约照明能源，通过研究发现， 如果能充分利用白天的自然光，那么全年中每个月的能量消费( 空调和照明) 将会相 差不多“”。e n e d i rg h i s i a 年1 j o h na t i n k e r b 也提出了同样的观点，他们认为一定要 考虑窗外的自然光对照明控制的影响，要尽可能的利用自然光来节约能源，他们研究 的方法是根掘房| 日j 的长宽高柬计算出房间最理想的窗户面积，不同的窗户谣积对照明 北京化工大学硕士学位论文 节能有不同的影响，根据算式和统计数据得出最理想的窗户面积。还有专家提出了用 l 乜r 圈像传感器对照明进行控制，通过仿真试验，效果良好。”。s e r m i no n a y g i l 和 o n d c rg u l e r 仃研究一1 叫、 l 使用电子图像传感器，还考虑了天气和季节的影响，结果显 示，采用先进的控制设备的确可以起到照明节能的目的，但是节能的多少与天气状况 和季节有很大的关系，在照明节能的研究中，他们采用了信息融合的思想“”。 1 4 论文研究的目标、研究的内容 1 4 1 论文研究的目标： ( 1 ) 提高空气的品质，随着越来越多的人进入写字楼工作，而且在写字楼内呆的时间越 来越长，1 j 字楼又相对的比较封闭：空气的品质会直接影响人的健康和工作效率，所 以提高窄气的质量保证一定的新风量势在必行。 ( 2 ) 满足人们对热舒适度的要求，温度一直是人感觉舒适与否的一个很重要的指标，目 前，不仅温度，人们研究发现，温度、湿度、风速等等因素对人感觉的舒适性都有很 大的影响。 ( 3 ) 在满足舒适的前提卜，尽量实现空调系统节能，建筑物的节能，尤其是空调的节能 已是今后节能改造的重点对象。 ( 4 ) 提高照明的质量满足人们的要求，照度过高或过低都会让人感觉不舒服，所以对照 度进行控制来节约能源是一种很好的方法，另外还要采用其它的控制方法达到“人来 灯jr ，八走灯火”的效果。 ( j j 改进控制策略，爆力实现照明节能，要不断的改进控制策略，好的控制方法可以更 加的节能。 1 4 2 论文研究的内容 ( 1 ) 根掘室c 0 2 浓度矛i j t v o c ( t o t a lv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d ) 浓度进行新风量 的调节，打破以往新风回风比不变的控制方法，达到提高空气品质和节约能源的目标。 ( 2 ) 根据热舒适度方程，研究湿度、平均辐射温度、农服热阻隔系数以及人体活动量对 热舒适度的影响，为温湿度控制还有其它控制提供理论和数值上的依据。 ( 3 ) 用变频技术刈总风量进行控制，达到控制温度的目的，变频的实现是采用模糊控制 的方法，实现温度控制和节能的目的。 ( d ) 利用图像处理的方式对照度进行控制，为照明节能提供一种新的方法，在满足高质 量照明的同时实现节能的目的。 6 北京化工人学硕l 学位论文 2 1 模糊控制的概念 第二章模糊控制原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数 字挖制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制。从控制 器的纠能州：霸，模糊控制属r 智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能化的一种 重要而有效的形式。通常对于缺乏精确数学控制模型的被控过程，采用模糊集合的理 论，总结人们对系统的操作和控制经验，用模糊条件语句写出控制规律，再用算法语 言来编写程序，按此程序对生产过程进行自动控制“1 。模糊控制与常规p i d 控制相比， 特点如下： ( i ) 模糊控制j 要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据，适合于不 易获得精确数学模型的被控过程，或结构参数不很清楚的场合。 ( 2 ) 模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，不 用传递函数与状态方程，只要对人们地经验加以总结，进而从中提炼出规则，直接给 沿。变翳再运用推理方法进行观察与控制。 ( 3 ) 系统地鲁棒性强，尤其适用r 时变、非线性、时延系统的控制。 ( 4 ) 从小同的观点出发，可以设计不同的目标函数，其语言控制规则分别是独立的，但 是整个系统的设计可得到总体的协调控制。 2 2 模糊控制器设计步骤 模糊控制思想来源于人的操作经验，因此模糊控制器的工作流程类似于人依靠经 验解决问题的模式。具体包括一下几个方面： ( 】) 确定模糊控制器的输入变量、输出变量和论域； ( 2 ) 确定模糊化和解模糊化的方法； ( 3 ) 设计模糊控制器的控制规则及其模糊推理方法： ( 4 ) 量化因子及比例因子的选择； ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序； ( 6 j 系统的仿真实验及参数的确定。 在图2 一l 中，r 为输入设定值，e 为误差，e c 为误差变化率，u 为模糊控制器的 输出，y 为控制对象的输出。 北京化工大学硕士学位论文 设定值r 图2 - 1 模糊控制系统结构示意图 f i g 2 - 1s t r u c t u r ef i g u r eo f f u z z yc o n t r o ls y s t e m 模糊控制设计卡要有以下两个步骤： ( 模糊化 模糊控制是模拟人工操作的控制方式，而人工操作不仅根据被控量误差，还兼顾 误差的变化来进行，所以取被控变量的误差e 和误差变化率e c 为输入变量，输出变量 为控制量的增量信号“。采用增量信号作为输出，这样相当于引进了积分作用，有利 j 洲馀静态余芹。确定了模糊控制器的输入变量后，模糊化接口是将模糊控制器输入 毓的确定值e 和e c 用模糊语言变量e 和e c 来描述，并转换为相应的模糊语言变量值， 此相应语言变量均由对应的隶属度来定义 3 4 1 。 在现实生活中，人们习惯将事物分成几个等级，如“高”、“偏高”、“适中”、 “偏低”、“低”等。因此，在设计模糊控制器时，我们对于误差的控制量采用“正 大”( p b ) 、“正中”( p m ) 、“正小”( 船) 、“零”( z e ) 、“负小”( n s ) 、“负 中”( m ) 、“负大”( n b ) 等7 个语言变量值( 模糊子集) 来描述。语言论域上的 模糊_ f 集由隶属4 x ) 函数来描述，4 x ) 可以通过总结操作者的经验或采用模糊统计方 法来描述。若以t ( e ) 记e 的语言值集合。偏差e 的语言变量是e ，则有 死f ) = 。负人，负t j ，负小，零，卜小，正中，正大 或r ( e ) = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p 膨，p b ) 同理，t ( e c ) = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，册) t ( u ) = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 一般束醴，每个语吉值宜选用2 8 个值，语言值多了会使控制规则变得复杂， 制定起来困难。因此，在选取语言变量时，既要考虑控制规则的灵活与细致性，又要 兼顾其简单与易行的要求。 过程参数8 和e c 的变化范围( 即模糊控制器输入量的实际范围，是实数域上的一 个连续闭区r n j ，称为基本论域) 是各不相同的，为了统- n 指定的r ( e ) 论域中来，模 糊化的第个仟务就是进行论域变换一将输入语言变量的基本论域转换成指定的有 限嫠数的离散沦域，可以通过量化因子实现基本论域到7 ( e ) 论域的变换。 设偏差p 的基本论域为 8 。，8 。】，e 。表示低限值，e 。表示高限值。把此论域转换 北京化工大学硕士学位论文 成离散论域n = f n ，- n + l ，一1 , 0 ，l ，n 一1 ，n ，n 是在e 。e 。范围内连续变化的输入语言 变量离散化后分成的档数，一般常取n = 6 或7 。需经过量化因子来实现，两个论域间 的量化因子为 e ：生式( 2 1 ) eh e l ? k ，为偏差p 的量化斟子“”。 1 k ，对系统性能的主要影响可归纳为： k ，越大，系统调节惰性越小，系统上升速率越大。 e 过大，则系统上升的速率过大，将产生较大的超调，使调节时间增长，严重时 还会产牛振荡其至使系统不能稳定工作。 k 。过小，系统的上升速率较小，导致快速性变差：同时，它也严重影响系统的稳 态特性，导致稳态精度降低。 扰动刚丌始的时候，k 。越小，有利于减小正向超调量。 同理，偏差变化率的量化因子是 世。：兰l 式( 2 2 ) e c h e c l ( 2 ) k 对系统性能的影响 k ，。过大时，系统输出的上升速度减小，系统的过渡过程时间变长，甚至导致系统 输| 发敞。 k 。过小时，系统输出的上升速率将增大，会导致系统输出产生过大的超调或振荡， 并且反向超调也增大。 对于系统控制量的变化u ，基于量化因子的概念，定义 置。：掣式( 2 - 3 ) 上仃 为其比例因子。其中，【“。，“。】为控制量变化的基本论域，聆为基本论域 叱，】的量 化档数。 ( 3 ) k 对系统性能的影响 k 。取得过人，会导致系统输出的上升速率过大，从而使系统输出产生波动，将导 致等幅振荡其全发散。 k 。过小，则系统的前向增益很小，因此系统输出上升速率较小，快速性变差：岸。过 小，还将导致稳态误差增大。 模糊化的第二任务就是求得输入对应与语言变量的隶属度。语言变量论域上的模 糊子集用隶属度函数u ( x ) 来插述。隶属函数u ( z ) 可以通过总结操作者的操作经验或采 北京化工大学硕士学位论文 用模糊统计的方法来确定。 ( ) 模糊摧胖决策 模糊控制器的主要工作是依据语言规则进行模糊推理决策“1 。因此在进行模糊规 则推理之前，先要指定好语言控制规则( 亦称知识库) 。实际上控制规则是根据操作 者或专家的经验知识来确定的，它们也可以在试验过程中不断进行修正和完善。规则 的形式很像计算机程序设计语言常用到的条件语句“i f t h e n ”。 例如：i fx l = a h a n d ( o r ) x 2 = a 2 ，t h e n y = b 其中的“a n d ”和“o r ”在模糊推理中相应于“交”与“并”运算。 控制规则条数的多少视输入及输出物理量数目及所需的控制精度而定。对于常用 的二输入控制过程，若每个输入量分成三级，那么相应就有9 条规则，若按每个输入 的语言变量分成7 级计，则有4 9 条规则就可以完全覆盖了。 模糊推理运算有多种方法，在模糊控制芯片中普遍采用的是m a x m i n ( 最大一 最小) 推理。m a x m i n 法运算过程，大体可分为如下四步。 第一步：分别求出输入量的隶属度，这是输入量的模糊化过程。 第：步：肖有多个输入量时，同一规则中取输入量隶属度最小值作为前件部的隶属度。 第二步：l j 0 什部隶属度i 后件部隶属函数进行m i n 运算，通常称为切头法，得到各 枷m 0 的结论。 第四步：对所有规则的结论取m a x 运算，得模糊推理结果。 逆模糊化 输出逆模糊化就是将语言表达得模糊量回复到精确得数值，也就是根据输出模糊 f 集得京属度计算出确定的数值。以下是三种常见得方法。 ( 1 ) 最大隶属度法 这种方法就是选取模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量。如果最大的有几 个，则取它们的平均值。 ( 2 ) 加权平均法 此法又称重心法，是最常用的方法，有两种形式。 普通的加权平均法其控制量“的精确值可由输出，的隶属度函数加权平均判决 得到，叩 土 u ( u ，) u ， 例如模糊集u = i 0 2 + 二了0 8 + i 1 + 二t 0 8 + 百0 2 北京化工大学硕l 学位论文 则输出控制量“= 里生兰坐旦芸参习等笔车吾等堕型= 之 算术加权平均法其控制量的精确值由下式求出，即 t u ， = 型- 一式( 2 5 ) k ， i - ! 其中，权系数k 的选择可根据实际情况来决定。 ( 3 ) 般中f f 法 为了充分利用输出模糊集合所包含的信息，求出将模糊集隶属函数曲线与横坐标 之间的面积平分为两等份的数，用此数作为逆模糊化的结果。 北京化工大学硕士学位论文 第三章新风量的控制 3 1 新风量控制的必要性 图3 1 变风量控制系统的模型 f i g 3 1m o d e lo f v a r i a b l ea i rv o l u m es y s t e m 在窄调系统中，足够的新风量对于提供良好的室内空气品质i a q ( i n d o o ra i r q u a l i t ) ) ，保i l l 一审内人员的舒适感和身体健康有着直接意义。对于定风量系统 c a v ( c o n s t a n t a i rv o l u m e ) 来说，由于送风量在运行过程中始终保持不变，因此一旦新 风量根据要求被设定，则在系统的整个运行期间都能满足要求。变风量v a v ( v a r i a b l e a i rv o l u m e ) 系统不同，其送风量在运行过程中随着负荷减小而不断减少。 影响窜内窄气品质的污染物种类有很多，根据发生源的不同可分为人员相关污 染物与建筑相关污染物两类。在非工业建筑中，由于在通常情况下室内人员是c 0 2 惟产生源，c 0 2 的浓度不仅代表c 0 2 本身作为污染物对室内空气的污染程度，而 且还能反映室内人员的状况，人数及活动状况，能体现室内人员对新风的要求，因 此，本文将c o z 浓度作为反映人员相关污染物的指示量。 c 0 2 足人体呼出的7e 体，在主要有人散发有害气体的空调区域，当c 0 2 浓度控制 4 ：舰定浓度时，其它污染物浓度也基本上得到控制。另外，新风负荷在空调负荷中 所，吁比例很大，在保证室内空气品质的条件下，尽可能减小新风量是很有意义的。 近年来的研究表明，建筑材料、地板蜡、清洗剂及h v a c ( h e a t i n g , v e n t i l a t i o na n d a i rc o n d i t i o n i n g ) 系统本身等所散发的各种挥发性有机物v o c ( v o l a t i l eo r g a n i c c o m p 0 u n d ) 是产生病态建筑综合症的主要因素。3 ，在非工业环境中，v o c 通常是 空气中的重要污染源常温下，室内空气污染物中，已经得到证实的v o c 有5 0 0 0 多 种：在居室、商场及办公场所中通常情况下有3 0 0 多种。但是它们的单个浓度极低， 北京化工大学硕士学位论文 绝人多数情况卜并没有哪一种污染物单独超标，造成室内空气污染是各种t v o c f t o t a l v o la t j leo r g a n i cc o m p o u n d ) 的共同作用，因而以其总量t v o c 作为反映 建筑相戈污染物的指示茸t l o l 。 由于在某个新风量下，一般不可能使c 0 2 和t v o c 浓度正好达到各自的给定 值，为