基于PMV和視覺舒適度的家庭能耗管理

引言

節(jié)能是人類永恒的課題，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。事實證明，家庭用電業(yè)已成為能量消耗的很大一部分。研究并設(shè)計一套節(jié)能的家居系統(tǒng)具有現(xiàn)實的意義。本文參考有關(guān)資料，建立視覺舒適度和光照度的定量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型和熱舒適度模型。傳統(tǒng)的基于溫度和濕度控制的方法顯得粗糙，不能滿足人們對于熱舒適度的需求。因為影響人體熱舒適性的因素除上述兩個之外，還包括風(fēng)速、平均輻射溫度、人體的新陳代謝率和衣服的熱阻。室內(nèi)是否呈現(xiàn)熱舒適性是這6個因素綜合作用的結(jié)果。單純地控制溫度和濕度不能達到人們在熱舒適性和節(jié)能方面的要求，而選擇熱舒適性指標，即PMV控制指標才能達到舒適性和節(jié)能的和諧統(tǒng)一。

在日常生活中，不同的活動有不同的最適宜亮度，使眼睛處于舒適感的狀態(tài)，過亮或過暗的光照環(huán)境多少都會造成眼睛的不適，甚至視覺能力的損害，很多情況下都會增加家庭耗能。因此，研究家庭成員在各種場景中的最適光照亮度顯得很必要。影響視覺舒適度的因素很多，主要因素有光環(huán)境、色調(diào)、照度等?？紤]到視覺舒適度是心理感覺量，其數(shù)學(xué)模型以韋伯-費昔勒定律為基礎(chǔ)。

1熱舒適度的評價指標

PMV即預(yù)測平均投票數(shù)。它是丹麥科學(xué)家Fanger教授提出的表征人體感受冷熱溫度的評價指標，代表了同一個環(huán)境下大多數(shù)人的感受冷熱感覺的平均。PMV-PDD熱舒適模型確立人體體溫調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，其有7級感覺，分別是冷(一3)、涼(一2)、稍涼(一1)、中性(0)、稍暖(1)、暖(2)、熱(3)。PMV熱舒適模型將人體的冷熱感覺歸于6個因素。2個人為因素，包括人體的新陳代謝率和服裝熱阻。4個環(huán)境因素，包括空氣溫度、濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度。PMV的公式模型是基于體溫調(diào)節(jié)和熱平衡理論得出的。如果將人看成是一個系統(tǒng)，那么人與環(huán)境之間的熱交換遵循熱力學(xué)第一定律，即：

S=M—W—R—C—E—Q

其中,S為人體蓄熱率,M為人體新陳代謝率，W為人體所作的有用功,R為著裝人體外表面與環(huán)境的輻射換熱量，C為著裝人體外表面與環(huán)境的對流換熱量,E是皮膚擴散蒸發(fā)、汗液蒸

發(fā)和呼吸所造成的散熱量，最后的Q為熱舒適系統(tǒng)輸出能量。

人體的在環(huán)境中達到熱平衡，則人體的蓄熱率S=0。人體通過生理過程，比如發(fā)抖、出汗和調(diào)節(jié)皮膚血流量等過程，保持新陳代謝所產(chǎn)生的熱量和身體失熱量的平衡。在前人的基礎(chǔ)上，F(xiàn)anger選了很多人做樣本，進行了很多的人體實驗，得出了PMV熱舒適模型指標。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)系PMV指標和預(yù)測不滿意百分率(PPD)的關(guān)系，把它們結(jié)合起來，用PMV-PPD指標作為評價熱舒適性的指標。PMV適用于溫度波動不大、風(fēng)速較小，并且偏中性的熱環(huán)境中。事實證明這些環(huán)境下用PMV指標來預(yù)測熱環(huán)境的舒適度是完全正確的，是可取的。

1.1PMV指標的計算

一般情況下，可以按下面的公式來計算PMV指標：

PMV=[0.303exp(—0.036M)+0.0275]X

[(M—W)—H—Ec—Cres—Eres]

其中,M為人體新陳代謝率，決定于人體的活動量大小，單位是W/m；W是人體做的有用功;H代表人體表面的對流、輻射所產(chǎn)生的熱損耗；Ec是皮膚上的散熱和出汗散熱量；Cres為呼吸中的顯熱損失量；Eres為呼吸中的潛熱損失量。下面是幾個分量的計算式：

H=3.96X10-8X々[(為+273)4—(t,+273)4]+/；XhcX(為一矽)

Ec=3.05X10-3X[5733—6.99(M—W)—

0.42X[(M—W)—58.15]

Cres=0.0014XMX(34—席

Eres=1.72X10-5XMX(5867—庭

婦=35.7—0.028(M—W)—以3.96X10-8Xf；伯+273)4—

(tr+273)4]+^fclXhcX(tcl—式中%—進行迭代運算；

h—對流熱交換系數(shù)，單位是W/(m2-K)；

婦—服裝的熱阻，單位是m2-K/W；

tr—平均輻射溫度，單位是。C；

Var風(fēng)速，單位是m/s；

t—人體周圍空氣溫度，單位是。C；

Pa—人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，單位是Pa。

如果(2.38X(tcl-taP5212.1x/V)，則：

hc=2.38X(tci-t滬

否則:hc=12.1X鳳

如果0<0.078)，則:

f=1.00+1.29%否則:f=1.05+0.645I”

事實上，即使大多數(shù)人表示滿意的熱環(huán)境，由于人與人之間生理等方面的差別，仍然會有人感到不滿意。為了說明這個關(guān)系，可用PPD指標(預(yù)期限不滿意百分率)來表示對熱環(huán)境不滿意的百分率。PPD的計算公式為：

PPD=100—95Xexp[—(0.03353XPMV4+0.2179XPMV2)]

該公式是Fanger教授經(jīng)過大量的實驗總結(jié)出來的經(jīng)驗公式。另外，F(xiàn)anger教授的最初實驗對象是西方國家的近1400名受試者，教授在最近的文獻中指出，不同地區(qū)的人存在著差異，應(yīng)該乘以0.5~1.0的修正系數(shù)。對于中國,該修正系數(shù)為0.7?，F(xiàn)在，PMV指標的理論基礎(chǔ)非常成熟，且有大量的實驗數(shù)據(jù)作為考證，它是目前評價人體熱舒適度最完善的指標，故在世界范圍內(nèi)迅速得到推廣[2]。

1.2環(huán)境因素對PMV的影響分析

假設(shè)著裝人體的服裝熱阻為0.5clo,人的新陳代謝率為1Met，利用Matlab，再根據(jù)PMV的計算公式，就可以畫出各個因素對PMV值的影響。圖1反映了PMV的變化。

(a)PMV在不同的平均輻射溫度下(b)PMV在不同的空氣溫度下

隨空氣溫度的變化曲線隨平均輻射溫度的變化曲線

(c)PMV在不同的空氣溫度下(d)PMV在不同的空氣溫度下

對濕度的變化曲線隨風(fēng)速的變化曲線

圖1PMV的變化情況示意圖

根據(jù)圖1可以得到，PMV隨著空氣溫度和平均輻射溫度的升高，而呈現(xiàn)線性的增長，這兩個因素對PMV的影響效果幾乎相同,并且相當明顯。相對濕度對PMV的影響相對不明顯,PMV的變化比較平緩，但隨著相對濕度的增加，還是會增大PMV,并且看到室內(nèi)平均溫度較高時(30。。)，相對PMV增長越快，從曲線的陡峭程度可以看出。這說明在氣溫較高時,相對濕度這個因素變得更加重要。因此，在夏季氣溫較高時,可以降低相對濕度，從而不需要大幅度地調(diào)低溫度值。這樣在讓人舒適上，它們的效果是一樣的。風(fēng)速對于PMV的影響從圖1中可以看到，當室內(nèi)溫度較高時，風(fēng)速越大，會增加PMV。設(shè)想在高溫下，風(fēng)會帶動暖氣流朝人撲打過來，人會不舒服，而在較低溫度下，風(fēng)速會使PMV減小。從曲線陡峭

程度看出，外界環(huán)境溫度越高，風(fēng)速對PMV的貢獻越??；而溫度越低，風(fēng)速對熱舒適性的影響越大。

由上面的分析可以得知，空氣的溫度越高，相對濕度越大,平均輻射溫度越高，風(fēng)速越小，PMV就越大，人會感到越熱。反之，PMV越小，人會感到冷。各個環(huán)境因素對于PMV的貢獻不同，空氣溫度和平均輻射溫度對PMV影響最大，風(fēng)速的影響次之，而相對濕度的影響最小。根據(jù)人體的平時活動量大小，不同季節(jié)穿衣服多少以及家庭成員的家庭活動類型,粗略地進行計算機模擬，得到幾種場景下使PMV接近中性,即人體感到舒服狀態(tài)所要設(shè)定的室內(nèi)溫度、空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度和空氣流通速度(風(fēng)速)。

這里我們先做幾點假設(shè):

靜靜的平躺時人體新陳代謝率為1Met，即58.15m2-K/W；

一般情形，人的新陳代謝率為1.2Met，即69.78m2?K/W；

夏天，認為人呆在室內(nèi)著裝的衣服熱阻為0.3clo,冬天為0.7clo；

房間內(nèi)的平均輻射溫度等于室內(nèi)的空氣溫度。

表1和表2分別是夏季和冬季場景中，在設(shè)定的相應(yīng)值情況下計算出的PMV，取值是使其盡量接近中性，即PMV的值在0附近。

表1夏季場景中各因素的假設(shè)值和設(shè)定

視覺舒適度是人處于一個視覺環(huán)境中，眼睛是否感到舒適的一個評價尺度。在照明工程中，往往需要確定視覺效果處在最佳范圍內(nèi)所對應(yīng)的光照度水平標準值。生活中常出現(xiàn)燈光亮度比人眼所需要的光亮度大好多的情形，不但造成電能的浪費，也不利于視覺的保護。視覺舒適度確定主觀感受量與客觀物理量之間的內(nèi)在關(guān)系。影響視覺舒適度的因素同樣有很多，考慮到視覺舒適度是心理感知量，其數(shù)學(xué)模型以韋伯-費昔勒為基礎(chǔ)[7]。廣義的韋伯費昔勒定律表示如下：

dS=kf(S)R

式中，S是感覺量的增量，是(S)感覺量的函數(shù)；R是產(chǎn)生感覺量的物理刺激量是常指數(shù)，隨著感覺量不同而不同。視覺舒適度的數(shù)學(xué)模型如下：

Z=a0+a1lnE+a2(lnE)2+…an(lnE)n+…

其中，a。、a]、a2…由實驗數(shù)據(jù)確定，n一般取3或者4。

2.2常見家庭活動最佳視覺舒適度

利用公式并且結(jié)合參考文獻[8]中的實驗數(shù)據(jù)，所計算出

的8種情形下視覺舒適度和光照度關(guān)系的公式如下：

暖色調(diào)下看電視情形中視覺舒適度：

Z=22；51[367.1652-485.6503lnE+197.3185(lnE)2-

29.3424(lnE)3+1.2458(lnE)4]

冷色調(diào)下看電視情形中視覺舒適度：

乙=23102[3037.8-2768.5lnE+900.07(lnE)2-

120.84(lnE)3+5.4258(lnE)4]

暖色調(diào)下一般活動中視覺舒適度：

乙=25387[4858.2-4064.9lnE+1228.6(lnEh-

156.73(lnE)3+6.9769(lnE)4]

冷色調(diào)下一般活動中視覺舒適度：

Z,=22274[3518.5-2688lnE+716.8(lnE)2-

74.971(lnE)3+2.2271(lnE)4]

暖色調(diào)下會見客人時視覺舒適度：

乙=24J46-1477?2+1025.4lnE+299.09(lnEj+

43.67(lnEj-2.5768(lnE)4]

冷色調(diào)下會見客人視覺舒適度：

乙=24325[658.15+588.18lnE-522.19(lnE)2+

116.4(lnE)3-8.13(lnE)4]

暖色調(diào)下團聚時視覺舒適度：

Z=25136[5820.8-3943.5lnE+971.99(lnEh-

102.35(lnE)3+3.8427(lnE)4]

冷色調(diào)下團聚時視覺舒適度：

乙=29059[2935.9-1698.6lnE+321.23(lnE)2-

19.168(lnEh-0.11093(lnE)4]

因此，可以計算出冷暖色調(diào)下各種活動取得最佳視覺舒適度時對應(yīng)的光照度?，F(xiàn)總結(jié)如下：

暖冷色調(diào)下看電視時當光照度分別為58lx和70lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調(diào)下一般活動當光照度分別為106lx和118lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調(diào)下會客時當光照度分別為203lx和240lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調(diào)下團聚時當光照度分別為338lx和362lx附近時，處于最佳視覺舒適度。

3系統(tǒng)概述

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)，可以驅(qū)動3顆1W或1顆3W的LED。PWM調(diào)光原理是利用人的視覺殘留效應(yīng)，當LED通斷的開關(guān)電壓頻率大于100Hz時，人察覺不到燈閃爍。相比較模擬調(diào)光，PWM調(diào)光由于其恒流特性，能夠提供高質(zhì)量的白光，但其也存在著控制器比較復(fù)雜、驅(qū)動電路容易產(chǎn)生噪聲等缺點。本應(yīng)用中BP1360的DIM端接收pic單片機輸出的PWM信號，可以無級調(diào)節(jié)LED燈的亮度。本設(shè)計將LED亮度設(shè)置為5級，設(shè)定PWM信號的占空比。信號輸出的頻率一定，高電平持續(xù)時間分別為周期的1/5、2/5、3/5、4/5和1。恒流驅(qū)動電路如圖3所示。

本系統(tǒng)以s3c2440處理器作為控制中心，它是三星公司基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式CPU，面向便攜式和低功耗的應(yīng)用。無線數(shù)據(jù)傳輸通過ZigBee技術(shù)，構(gòu)成自組網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，與單片機進行命令的傳輸和數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集家居環(huán)境的溫度和濕度，進而計算出PMV值,作為家庭成員設(shè)置溫度、濕度的參考。另一方面，設(shè)置了溫度后計算的PMV值(接近于0)被認為是家庭成員的最佳熱舒適感受值。通過對該值的多次統(tǒng)計，就能夠捕捉到不同人之間的冷熱感受，對PMV的設(shè)定值的統(tǒng)計主要靠一種實時數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法。對于亮度調(diào)節(jié)，上面已經(jīng)給出了各種家庭活動下的最佳光照度值，系統(tǒng)時刻采樣房間的光環(huán)境，并通過PWM調(diào)光技術(shù)對光照進行調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光是通過單片機輸出不同的占空比的脈沖信號對光亮度進行調(diào)節(jié)的，或者通過開啟或者關(guān)閉房間里的其他燈，達到最佳光環(huán)境的目的。

3.2光照度測量模塊和恒流PWM調(diào)光設(shè)計

測量房間的光照度選用BH1750照度測量芯片，該芯片具有體積小、精度高、可靠性好的優(yōu)點。

本設(shè)計中的BP1360是一款連續(xù)電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源芯片，它能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出，只需少許的電阻、二極管和電感就能構(gòu)成調(diào)光電路。輸出的電流最大能夠達到1.2A，轉(zhuǎn)換效率高達97%。該芯片內(nèi)置功率開關(guān)，可以驅(qū)動3顆1W或1顆3W的LED。PWM調(diào)光原理是利用人的視覺殘留效應(yīng)，當LED通斷的開關(guān)電壓頻率大于100Hz時，人察覺不到燈閃爍。相比較模擬調(diào)光，PWM調(diào)光由于其恒流特性，能夠提供高質(zhì)量的白光，但其也存在著控制器比較復(fù)雜、驅(qū)動電路容易產(chǎn)生噪聲等缺點。本應(yīng)用中BP1360的DIM端接收pic單片機輸出的PWM信號，可以無級調(diào)節(jié)LED燈的亮度。本設(shè)計將LED亮度設(shè)置為5級，設(shè)定PWM信號的占空比。信號輸出的頻率一定，高電平持續(xù)時間分別為周期的1/5、2/5、3/5、4/5和1。恒流驅(qū)動電路如圖3所示。

3.3一種實時數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法

對于采樣數(shù)據(jù)，往往要進行存儲，這就需要有較大容量的存儲空間，而這種實時采樣數(shù)據(jù)的平滑統(tǒng)計方法，貝加以做到不需要存儲空間就可以對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。這種方法包括如下步驟：

在第n+1次采樣點上獲取采樣數(shù)據(jù)的瞬時值S(n+1)。

平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)R(n+1)是根據(jù)上一次的平滑統(tǒng)計數(shù)據(jù)R(n)、第n+1次采樣數(shù)據(jù)的瞬時值S(n+1)和自行設(shè)定的統(tǒng)計特征時間K三個數(shù)據(jù)進行直接運算得到。

R(n+1)=(1—exp(—1/K))S(n+1)+R(n)exp(—1/K)

由此看出，在每個采樣周期只需要利用上次的統(tǒng)計平均值和本次的采樣數(shù)據(jù)進行簡單的運算就能夠得到當前統(tǒng)計平均值，而且平滑的效果令人滿意。該方法具有時間和空間開銷小、能夠?qū)崟r地對當前數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計且平滑效果好的優(yōu)點。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1ZigBee無線傳輸

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.15.4標準得到了快速的發(fā)展。該標準定義了在個人局域網(wǎng)中通過射頻方式在設(shè)備間進行互相通信的方式與協(xié)議，支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標準。協(xié)議模型劃分為物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)

兩個子層進行實現(xiàn)。而ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。IEEE802.15.4無線線路運行在866MHz,915MHz和2.4GHz三個頻帶上，而ZigBee運行在2.4GHz頻道上。ZigBee技術(shù)適用于低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高安全無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有星型、網(wǎng)狀型和簇狀型。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)其所扮演的角色分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行初始化網(wǎng)絡(luò)信息，并且分配網(wǎng)絡(luò)PID,另外還可以實現(xiàn)路由功能。全功能設(shè)備具有路由功能，精簡功能設(shè)備則不具備路由功能。ZigBee能夠自組網(wǎng)，無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)能夠自我修復(fù)并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，保證整個系統(tǒng)仍能正常工作。相比較藍牙網(wǎng)絡(luò)，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠最多容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域可以同時存在200多個網(wǎng)絡(luò)，總共可以支持超過65000個節(jié)點。本設(shè)計中,cc2530作為ZigBee無線傳輸模塊，該模塊與pic單片機和控制中心2440的連接采用串口通信，可選的也用spi通信，都是簡單的有線通信。

4.2功能設(shè)計軟件流程

本系統(tǒng)分為圖4所示的兩個功能模塊，圖4中的左半部分為室內(nèi)光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計流程圖，右半部分為基于PMV的室內(nèi)人體舒適度調(diào)節(jié)控制裝置的設(shè)計流程圖。

圖4調(diào)光系統(tǒng)和PMV控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

在調(diào)光系統(tǒng)中，嵌入式文件系統(tǒng)建立的config文件存儲有各種家庭活動(如看電視、看書、一般性活動等)的最適亮度的最小和最大值，每次系統(tǒng)讀取相應(yīng)的值，BH1750用以測量房間特定點的亮度，通過測量值與最適值的比較，BP1360進行PWM調(diào)光，直到亮度達到最適人體活動的設(shè)定值為止。

基于PMV的溫濕度控制系統(tǒng)則主要通過溫度，配合以與人體舒適度相關(guān)的其他5個要素，計算出實際的PMV值，又通過一種實時的平滑統(tǒng)計方法，對最佳PMV值進行統(tǒng)計，用以作為設(shè)定的PMV值的參考。另一方面，人們能夠?qū)τ绊懯孢m度的其他不可控要素進行直接設(shè)定，系統(tǒng)接收輸入值，也使結(jié)果更加接近于用戶的真實熱感覺。

5結(jié)語

本文基于PMV熱舒適度評價公式和利用廣義的韋伯-費昔勒定理來評價視覺舒適度，從而為室內(nèi)溫度和照度調(diào)節(jié)控制算法提供一個可行的理論和實驗參考。設(shè)計的基于PMV和視覺舒適度模型的家庭節(jié)能系統(tǒng)，則包括硬件電路實現(xiàn)和軟件程序編程設(shè)計方法。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效地節(jié)約家庭空調(diào)和燈光的用電。

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