基于人体舒适度的室内温度优化设定方法

王玉山，彭辉, 3，王丹，刘明月，杨晗，武明源，覃业梅



基于人体舒适度的室内温度优化设定方法

王玉山1, 2，彭辉1, 2, 3，王丹1, 2，刘明月1, 2，杨晗1, 2，武明源1, 2，覃业梅1, 2

(1. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083；2. 先进控制与智能自动化湖南省工程实验室，湖南 长沙，410083；3. 两型社会与生态文明协同创新中心，湖南 长沙，410083)

建立一个简化的办公建筑热力学模型，模型中假设白天空调开放，夜间自然通风。通过对该模型的分析，建立空调冷负荷与室外温度、热物质温度、室内温度设定值等环境变量的定量关系。同时，为评估环境舒适度，采用描述人体舒适度的预测平均指标(predicted mean vote,PMV)，并确定PMV与室内温度和平均辐射温度的定量关系。基于上述定量关系，以空调冷负荷最小化为优化目标，同时以−0.9≤PMV≤0.9为限制条件，优化求解得到了最优的室内温度设定值。通过EnergyPlus等软件对优化结果进行仿真计算，与26 ℃固定温度设定值的情形相比，本文提出的室内温度优化设定方法既可保证室内人员的舒适度又可以降低空调能耗。

办公建筑；节能；动态优化；室内温度设定值；预测平均指标

在各类建筑中，办公建筑和大型公共建筑具有能耗总量大、能源效率低、节能潜力大的特点[1]，是能耗大户。其建筑面积只占城镇建筑总面积的4%，但能耗却占城镇建筑总能耗的22%。做好大型公共建筑节能工作，对实现节能减排目标具有重大意义。在办公建筑和大型公共建筑中，空调能耗占建筑总能耗的40%~60%，因此，降低空调系统能耗是建筑节能的重要工作之一[2]。目前办公建筑多采用固定温度设定值的方法，这造成了空调系统能耗的浪费[3]。在降低空调能耗和有效评估人体舒适度方面，国内外学者已进行大量的研究。叶海等[4]提出了一种热环境客观评价的简易方法，解决了描述人体舒适度的预测平均指标(predicted mean vote，缩写PMV，记为PMV)[5]不易于计算的问题，但未将其具体应用于建筑节能。高磊[6]从实际应用出发分析了降低空调能耗的一些实用措施，但是没有从建立建筑模型的角度研究节能方法。Mohamed等[7]应用多目标优化策略实现降低空调能耗，但是其仅讨论了以年为单位的分析应用，没有研究1 d中空调温度的动态优化。Yang等[8]建立了简化的办公建筑模型，并提出了一种用热物质和夜间通风降低空调负荷的方法。但是该方法未与舒适度指标相结合，因此不能优化各个时刻空调温度设定值。针对该问题，马庆[9]提出了一种动态优化室内温度设定值的方法，但是在其优化过程中没有考虑太阳辐射照度对室内温度的影响。本文作者提出的动态优化室内温度设定值的方法综合考虑了室外温度变化和太阳辐射照度的影响，结合夜间通风的方法，可以有效降低空调系统能耗，降低夏季高峰电力的用电负荷，同时又不会降低人的热舒适感觉，是一种很好的节能环保的方法。

1 办公建筑热力学模型

简化的办公建筑模型如图1所示[8]。图中，i为室内温度；s为室内温度设定值；­o为室外综合温度；m为外部热物质温度。假设在建筑模型中室内空气温度的分布是均衡的，白天空调开放，夜间自然通风、空调停止。热物质划分为内部热物质和外部热物质，与室外空气没有接触的热物质统一为内部热物质；与室外空气有直接接触的一面墙称为热物质墙，是外部热物质。除热物质墙外所有的围护结构视为理想隔热物质。房间隔墙表面之间的热辐射忽略不计。白天室内的所有热增益(包括透过门窗的太阳辐射增益)和产热都集合成一个热增益，夜间不考虑室内热增益。假设热物质的温度分布是均衡的，其中内部热物质的温度与室内温度相同。这意味着热物质内部的热传递速度远远快于热物质表面的热传递速度。在白天室内温度与室内温度设定值相同，如图1(a)所示；在夜间通风率v视为常数，如图1(b)所示。