基于人体热适应和气候特点的室内环境控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于人体热适应和气候特点的室内环境控制系统，包括：时间段设置装置，用于设定系统的工作模式；采集装置，用以按设定周期采集室内外环境参数；人机交互平台，用以接受用户对室内外环境感受的评价信息；控制器，用以根据室内环境参数和用户感受的评价信息调整控制设备的运行状态，对所述室内环境进行调整直至所述室内环境符合人体热适应和用户对室内环境感受满足预设条件为止；控制设备，用以调节室内环境。本发明还提供了一种基于人体热适应的室内环境控制方法。本发明通过根据满足人体热适应理论和用户感受信息情况来控制室内控制设备状态，并通过结合当地气候特点，提升用户使用感受的同时实现了可观的节能。

说明书

技术领域

本发明属于室内环境调节技术领域，特别涉及一种基于人体热适应和气候特点的室内环境控制系统及方法。

背景技术

常规空调运行时，由用户或管理维护人员设定温度值，通过PI和PID控制等维持温度稳定，这种常规模式只对环境空气温度进行控制，没有顾及其他与热舒适密切相关的环境参数，因此热舒适性可能得不到保证。此外，该模式仅调节空调运行，与风扇等房间其他热调节手段缺少互动，调控效率低，存在能源浪费。此外，近年来出现了以PMV模型为核心的一种控制模式，这种模式综合考虑影响热舒适的环境参数，以PMV为核心控制室内热环境，与常规模式相比，考虑因素全面，具有一定节能潜力。但PMV模型仅适用于稳态环境的局限，使得相关研究忽略动态热环境的营造，同时也缺乏空调之外热环境调节手段的控制和利用。

因此，根据前期人体热适应研究成果，为了提供更加人性化的室内环境，环境控制需要更多的考虑人体热适应的机理，即人不再是给定热环境的被动接受者，而是通过多重循环反馈与人—环境系统交互作用的主动参与者，从而根据人体的热适应行为调节室内环境参数和控制设备。前期研究结果如下：

Zhang Y, Chen H and Meng Q. Thermal comfort in buildings with split air-conditioners in hot-humid area of China. Building and Environment, 2013, 64:213-224；

Zhang Y, Wang, Chen H, Zhang J and Meng Q. Thermal comfort in naturally ventilated buildings in hot-humid area of China. Building and Environment, 2010, 45(11):2562-2570；

张宇峰，刘倩妮，孟庆林.湿热地区人群夏季主动利用气流的研究(1):行为与动机.暖通空调,2014,44(1):29-35；

张宇峰，刘倩妮，孟庆林.湿热地区人群夏季主动利用气流的研究(2):气流感受与利策略.暖通空调,2014,44(1):36-41；

张宇峰.夏热冬暖地区代表性城市与农村居住建筑热环境设计与计算指标[J]. 建筑科学, 2014, 30(6):10-18；

翟永超, 张宇峰, 孟庆林,等.湿热环境下空气流动对人体热舒适的影响（1）：不可控气流[J]. 暖通空调, 2014, 1:42-46；

翟永超，张宇峰，孟庆林，Hui Zhang, Wilmer Pasut, Edward Arens.湿热环境下空气流动对人体热舒适的影响(2):可控气流.暖通空调,2014,44(1):47-51；

此外，根据各个地区气候特点，通过加强夜间通风，可充分利用夜间低温蓄冷减少日间对空调的依赖，具有一定节能潜力。目前尚未发现将人体热适应和夜间通风相结合的智能控制研究。以往研究中，对于夜间通风判据，有研究认为当室内温度高于室外温度时，便可开窗通风，这与本文的通风策略相同。本发明针对南方湿热地区秋季气候特点，结合办公室的使用，夜间采用固定时间段内室内外空气温差为判据，从而充分利用夜间通风来降低室温，蓄积冷量，充分利用夜间蓄冷和人体热适应理论成果，更合理的解决室内热环境控制问题。

以往研究结果如下：

Pablo La Roche，Murray Milne. Effects of window size and thermal mass on building comfort using an intelligent ventilation controller[J]. Solar Energy 77 (2004) 421–434。

M.Kolokotroni,B.C.Webb.S.D.Hayes,Summer cooling with night Ventilation for office buildings in moderate climates, Energy and Buildings 27(1998)231-237。

发明内容

本发明的目的在于克服现有室内环境控制方法的缺点与不足，为此，提出一方面提供了一种基于人体热适应、并结合气候特点的室内环境控制系统：

一种基于人体热适应和气候特点的室内环境控制系统，包括：

时间段设置装置：用于设定系统的工作模式，设定时间段包括白天和夜晚两个，其中白天运行时间为A~B，夜晚运行时间为B~A；

采集装置，用以按设定周期采集室内外环境参数，所述设定周期为10~60分钟；

人机交互平台，用以接受用户对室内外环境感受的评价信息；

控制器，分别与所述采集装置和所述的人机交互平台之间以无线方式相连，用以根据室内环境参数和用户感受的评价信息调整控制设备的运行状态，对所述室内环境进行调整直至所述室内环境符合人体热适应和用户对室内环境感受满足预设条件为止；

控制设备，用以调节室内环境，包括空调、风扇和自动开窗器。

进一步地，所述采集装置包括用于采集室内、外环境参数的温湿度传感器、用于采集室内二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器，所述室外环境参数为空气温度，所述室内环境参数包括空气温度、黑球温度、相对湿度、二氧化碳浓度。

进一步地，所述的人机交互平台包括移动终端或台式电脑。

进一步地，所述控制器为单片机。

进一步地，还包括储存器，用以储存环境参数和用户感受的评价信息，所述储存器与所述控制器相连。

人体热适应预设条件为热适应研究成果中得到的预设值。本发明人已开展了大量热舒适现场调研和气候室实验，揭示了湿热地区居民的热适应特征，并据此提出了相应的热环境设计与计算指标。本发明以上述研究结果为基础，充分考虑湿热地区的人体热适应特征和空气流动对温湿度的补偿作用，提出利用开窗、风扇和空调联合控制建筑热环境的适应性控制模式。这种模式在实现健康、舒适和节能等方面具有较大潜力。

本发明另一发明还提供了一种基于所述系统的室内环境控制方法，包括以下步骤：

按设定周期采集室内外环境参数；

当系统的工作模式设定为白天时，接受用户对室内环境感受的评价信息；接着判断室内环境状况，根据人体热适应预设值，控制设备运行相应的动作，同时根据用户评价信息调整控制设备的运行状态，以对室内环境进行调整直至用户对室内环境感受评价满足预设条件为止；

当系统的工作模式设定为夜晚时，判断室内外温度情况，根据控制策略，设备运行相应的动作，通过开关窗户施行夜间通风。

进一步地，所述的判断室内环境状况，根据人体热适应预设值，控制设备运行相应的动作具体包括：

判断室内温度；

若室内温度≤T1⁰C，则关闭空调及窗户；接着判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一；

若T1⁰C<室内温度<T2⁰C，则关闭空调及窗户；接着判断是否室内温度>室外温度，若是，则窗户全开，若否，则判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一；

若T2⁰C≤室内温度≤T3⁰C，则关闭空调、开启风扇，接着判断是否室内温度>室外温度，若是，则窗户全开，若否，则判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一；

若室内温度>T3⁰C时，则开启空调和风扇，接着判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一；然后判断是否室内温度≥T4⁰C，若是，则保持开启空调和风扇，若否，则重新开始检测室内温度，重复以上步骤；

其中，T1为开关窗户的阀值，T2为开关风扇的阀值， T3为开关空调的阀值，小于此值空调关闭，大于此值空调开启；T4为防止空调频繁启停的控制阀值，C1为室内二氧化碳浓度下限值，C2为室内二氧化碳浓度上限值。

进一步地，所述系统同时根据采集的数据信息和用户评价信息调整控制设备的运行状态，以对室内环境进行调整直至用户对室内环境感受评价满足预设条件为止，具体包括：

获取用户的抱怨信息；

当抱怨信息为太热时，若空调为开启状态，则空调档位降一档，否则开启空调；

当抱怨信息为太冷时，若空调为开启状态，则空调档位升一档；

当抱怨信息为太闷时，风扇升一档；

当抱怨信息为室外太吵时，窗户关闭；

当抱怨信息为风扇太吵时，风扇降一档；

当抱怨信息为风太大时，风扇降一档。

进一步地，在一个周期内同一区域有超过50%数量的不同用户抱怨信息相同时，控制设备进行相应动作，否则，下一周期将抱怨信息清空，重新开始统计，同时，若有由于抱怨导致的动作发生，下一周期也清空此动作。

进一步地，所述的通过开关窗户施行夜间通风的具体动作包括：

判断周期性采集的室外温度T5和室内温度T6；

若T5≤T6，则打开窗户进行夜间通风蓄冷；若T5＞T6，则关闭窗户阻止室外热量进入室内。

相比现有技术，本发明提供的系统和方法以已有热适应研究成果为基础，根据湿热地区居民的热适应特征及相应的热环境设计与计算指标，充分考虑湿热地区的人体热适应特征和空气流动对温湿度的补偿作用，提出利用开窗、风扇和空调联合控制建筑热环境的适应性控制模式，实现了满足人体热适应理论和用户感受信息情况并结合当地气候来控制室内控制设备状态，从而在提升用户使用感受的同时实现了可观的节能，达到实现健康、舒适和节能方面的完美结合。

附图说明

本发明的具体内容和优点将从下面结合附图对实施例的描述中变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于人体热适应的室内环境控制系统的结构框图；

图2为根据本发明一个实施例的环境参数的采集与人机交互平台的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的白天运行阶段室内人体热适应预设条件及其对应设备动作示意图；

图4为根据本发明一个实施例的对用户室内环境感受调整的示意图；

图5为根据本发明一个实施例的夜间运行阶段对应设备动作示意图；

图6为根据本发明一个实施例的基于人体热适应的室内环境控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。凡依本案的设计思路所做的等同变化（如针对不同地区的气候特点所作策略变更），均落入本案的保护范围。

如图1所示，一种基于人体热适应和气候特点的室内环境控制系统，包括时间段设置装置、采集装置100、人机交互平台200、控制器300和控制设备400，控制设备400包括空调401、风扇402、自动开窗器403和桌面风扇404。

其中，时间段设置装置用于设定系统的工作模式，设定时间段包括白天和夜晚两个，其中白天运行时间为A~B，夜晚运行时间为B~A；所述采集装置用以按设定周期采集室内环境参数，包括用于采集室内、外环境参数的湿度传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器，用于采集室内外环境参数，所述室内环境参数包括空气温度、黑球温度、相对湿度、二氧化碳浓度等，所述的设定周期为10分钟。

人机交互平台200用于接受用户对室内环境感受的评价信息。

控制器300采用单片机，分别与所述采集装置和所述的人机交互平台之间以无线方式相连，用以根据室内环境参数和用户感受的评价信息调整控制设备的运行状态，对所述室内环境进行调整直至所述室内环境符合人体热适应和用户对室内环境感受满足预设条件为止。其中，人体热适应预设条件为我国湿热地区前期研究成果中得到的预设值。用户对室内环境感受预设条件为用户对于室内环境感受的评价信息为褒义或没有评价信息的情况。

本发明的一个实施例中，用户可以直接通过人机交互平台输入感受，例如，抱怨感受，如图4所示，即提供抱怨按钮太冷，太热，太闷、室外太吵、风扇太吵、风太大等，所述的人机交互平台为移动终端或台式电脑。

控制设备400包括：空调401，风扇402，自动开窗器403和桌面小风扇404。所述环境控制器除了桌面风扇404外与控制器相连，桌面风扇404由用户主动控制。

本发明的一个实施例中，还包括储存器500，用于储存满足预设条件时的运行参数和室内环境参数，储存器500与控制器300集成相连。

图2为根据本发明一个实施例的环境参数的采集与人机交互平台示意图。如图2所示，用户201通过人机交互平台200，表达自己对环境的感受，一种可能的方式为人机交互平台含有冷、热、干、湿等抱怨按钮，用户在不舒适时按对应按钮进行表达。人机交互平台200可以采取多种形式，例如，移动终端、台式电脑等。600为人机交互平台200和参数采集装置100与储存器500之间的通讯网络。通讯网络600采用以太网、无线等多种方式将用户的抱怨信息、环境参数传输至储存器500进行储存，并提供外界访问接口。控制器300与储存器500是移动终端等具有一定计算和储存能力的处理设备或单元。

如图4所述，在本发明的一个实施例中，白天运行阶段所述同时根据用户评价信息调整控制设备的运行状态，以对室内环境进行调整直至用户对室内环境感受评价满足预设条件为止具体包括：

获取用户的抱怨信息；

当抱怨信息为太热时，若空调401为开启状态，则空调401档位降一档，否则开启空调；

当抱怨信息为太冷时，若空调401为开启状态，则空调401档位升一档；

当抱怨信息为太闷时，风扇402升一档；

当抱怨信息为室外太吵时，窗户关闭；

当抱怨信息为风扇太吵时，风扇402降一档；

当抱怨信息为风太大时，风扇402降一档。

在本发明的一实施例中，当一个周期内同一区域有超过50%数量的不同用户抱怨信息相同时，控制设备400进行相应动作，否则，下一周期将抱怨信息清空，重新开始统计，为了防止与图3 的动作有所冲突，同时若有动作发生，下一周期也清空此动作。

如图6所示，基于所述系统的室内环境控制方法，包括步骤：

白天运行阶段：

S101、按10~60分钟为周期采集室内外环境参数；

S102、接受用户对室内环境感受的评价信息；

S103、判断室内环境状况，根据人体热适应预设值，控制设备运行相应的动作，同时根据用户评价信息调整控制设备的运行状态，以对室内环境进行调整直至用户对室内环境感受评价满足预设条件为止。

如图3所述，在本发明的一个实施例中，白天运行阶段，所述的判断室内环境状况，根据人体热适应预设值，控制设备运行相应的动作具体包括：

判断室内温度；

若室内温度≤T1⁰C，则关闭空调401及窗户；接着判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一，即：某时刻，当室内温度符合条件1时，控制策略为运行动作1，然后判断二氧化碳浓度水平符合条件6~8的其中一个，并执行对应动作6~8，循环结束；

若T1⁰C<室内温度<T2⁰C，则关闭空调401及窗户；接着判断是否室内温度>室外温度，若是，则窗户全开，若否，则判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一，即：当室内温度符合条件2时，控制策略为执行动作2，然后判断室内外温度是否符合条件5，如符合即执行动作5，循环结束，如不符合，即判断二氧化碳浓度水平符合条件6~8的其中一个，并执行对应动作6~8，循环结束；

若T2⁰C≤室内温度≤T3⁰C，则关闭空调401、开启风扇402，接着判断是否室内温度>室外温度，若是，则窗户全开，若否，则判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一，即：当室内温度符合条件3时，控制策略为执行动作3，然后判断室内外温度是否符合条件5，如符合即执行动作5，循环结束，如不符合，即判断二氧化碳浓度水平符合条件6~8的其中一个，并执行对应动作6~8，循环结束；

若室内温度>T3⁰C时，则开启空调401和风扇402，接着判断二氧化碳浓度水平，当二氧化碳浓度<C1ppm时，窗户开度在原来的基础上减少四分之一；当C1ppm≤二氧化碳浓度≤C2ppm时，窗户保持原来的开度；当二氧化碳浓度>C2ppm时，窗户开度在原来的基础上增大四分之一；然后判断是否室内温度≥T4⁰C，若是，则保持开启空调401和风扇402，否则，循环至初始状态，即：当室内温度符合条件4时，控制策略为执行动作4，然后判断二氧化碳浓度水平符合条件6~8的其中一个，并执行对应动作6~8，接着判断室内温度是否符合条件9，如符合即执行动作9，循环结束，如符合条10，执行对应动作10，循环结束，其中，T1~T4，C1和C2为热适应研究总结出来的预设值；

其中，T1~T4，C1和C2为热适应研究总结出来的预设值，具体而言，T1为开关窗户的阀值，T1取值为18⁰C，小于此值关闭窗户，防止室内过冷，大于此值允许开窗进行自然通风；T2为开关风扇的阀值，T2取值为28.5⁰C，小于此值风扇关闭，利于节能，大于此值开启风扇，提高热舒适；T3为开关空调的阀值，T3取值为29.5⁰C，小于此值空调关闭，大于此值空调开启；T4为室内较高温度下的控制阀值，T4取值为28.5⁰C，当开启空调时，气温需要低于此温度时空调才可以关闭，以防止空调频繁启停；>

夜间运行阶段：

S101、按10~60分钟为周期采集室内外环境参数；

S102、判断室内外温度状况，根据预设值控制相应设备。

如图5所示，夜间运行阶段，周期性采集室内外温度数据；

若T5≤T6，则打开窗户进行夜间通风蓄冷，降低室内温度；若T5＞T6，则关闭窗户阻止室外热流进入室内，其中，T5为室外温度，T6为室内温度。

根据本发明实施例的方法，通过根据满足人体热适应理论和用户感受信息情况来控制室内控制设备状态，从而在提升用户使用感受的同时实现了可观的节能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。凡依本发明的设计思路所做的等同变化，比如根据气候特点所作的控制策略变化，均落入本发明的保护范围。