局部供暖下的舒适性能提升调节装置及控制方法

1.本发明涉及供暖系统控制领域，具体是局部供暖下的舒适性能提升调节装置及控制方法。


背景技术：

2.随着国家经济的增长,人民物质生活水平的提高,冬季供暖需求进一步凸显。我国一些未集中供暖的地区在冬期室内加热的环境极其恶劣,亟需改善。空调采暖是一种全面采暖方式，通过加热室内空气并且使室内温度稳定在一定的范围内从而保持人体的舒适性。然而，由于空气的物理特性——冷空气下降和热空气上升的缘故，空调采暖势必导致室内温度在垂直方向上存在明显的差异，给人体带来“头热脚凉”的不舒适感。不仅如此，空调采暖这种稳态环境的营造方式，在改善人们生活质量的同时消耗了大量的能源。
3.围绕舒适和能耗这一对矛盾，学者们提出了个性化热舒适系统的概念。个性化热舒适系统(personal comfort system,pcs)能通过改变人体局部热环境来提高使用者的舒适度。因此，在低温环境下我们可以利用pcs改善人体局部的热舒适度从而达到维持人体整体热舒适的目的。与此同时，在维持人体热舒适的前提下，合理地营造非均匀热环境将能有效降低空调日益紧张的能耗。而各项研究结果表明,局部供暖在低温的环境下具有一定的适应性,因此在低温的环境下,可以通过提高改善人体局部的供暖热舒适度,合理地营造非均匀热环境,从而维持人体整体热舒适。
4.而现有的局部供暖设备调节能力差，舒适度低，且缺少相应的评价指标来提供控制方法。现有的对流式局部供暖设备控制装置仅简单的通过控制电机的转数达到多级档位调节，而辐射式局部供暖设备控制装置仅通过控制辐射装置的输入功率调整产热量来实现多档位调节，其不足之处在于该装置很难满足人员区域的舒适要求，容易造成能源浪费。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供局部供暖下的舒适性能提升调节装置，包括室内数据采集装置，计算控制器和电动阀门；
6.所述室内数据采集装置采集环境数据和人体数据，并传输至计算控制器；
7.所述计算控制器对环境数据和人体数据进行处理，得到电动阀门控制信号；
8.所述计算控制器将电动阀门控制信号传输至电动阀门；
9.所述电动阀门根据电动阀门控制信号调控局部供暖设备。
10.优选的，所述室内数据采集装置包括红外测温仪、空气温度测量仪、风速传感器、黑球温度传感器；
11.所述红外测温仪用于采集人体表面温度t
cl
；
12.所述空气温度测量仪用于采集空气温度t
ar
；
13.所述风速传感器用于空气流速v；
14.所述黑球温度传感器用于采集平均辐射温度tr。
15.优选的，所述环境数据包括空气温度t
ar
、平均辐射温度tr和空气流速v；
16.所述人体数据包括人体表面温度t
cl
。
17.优选的，所述空气温度t
ar
包括人体各部位所在的空气温度；
18.所述人体表面温度t
cl
包括人体各部位表面温度。
19.优选的，所述室内数据采集装置布置在局部供暖设备所在区域内。
20.优选的，所述计算控制器对环境数据和人体数据进行处理，得到电动阀门控制信号的步骤包括：
21.1)所述计算控制器根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
；
22.2)所述计算控制器判断总体等效温度t
eq，overall
是否位于总体等效舒适区间内，若否，则进入步骤3)，若是，则进入步骤4)；所述总体等效舒适区间由产品性能等参数决定。
23.3)所述计算控制器生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门，使电动阀门调控局部供暖设备的供暖温度，并返回步骤1)；
24.4)所述计算控制器判断最大等效温度差δt
eq，max
是否位于最大等效温度差舒适区间内，若是，则维持当前供暖模式和供暖温度，并返回步骤1)；若否，则进入步骤5)；
25.5)所述计算控制器生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门，使电动阀门调控局部供暖设备的供暖模式，改变人体受热部位，并返回步骤1)。
26.优选的，所述总体等效舒适区间和最大等效温度差舒适区间预先存储在计算控制器内。
27.优选的，所述计算控制器根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
的步骤包括：
28.1)计算人体第i个部位的对流换热量ci，即：
29.ci＝h
c,i
(t
cl，i-t
ar,i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
30.式中，h
c,i
为对流换热系数；t
cl，i
为人体第i个部位的表面温度；t
ar,i
为人体第i个部位所在空气温度；
31.2)计算人体与环境的辐射换热量ri，即：
[0032][0033]
式中，ε为人体发射率；σ为波尔兹曼常数；f
cl,i
为人体第i个部位的服装面积系数；f
eff,i
为人体第i个部位的有效辐射面积系数；tr为平均辐射温度；
[0034]
其中，服装面积系数f
cl,i
如下所示：
[0035]fcl,i
＝1 0.3i
cl,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0036]
式中，i
cl,i
为人体第i个部位的服装热阻。
[0037]
3)计算人体第i个部位的总换热系数h
cal，i
，即：
[0038][0039]
其中，人体裸体状态下第i个部位周围空气层工作热阻i
ar,i
如下所示：
[0040]
[0041]
式中，v
ar,i
为风速；vw为人体步行速度；i
a,i
为站姿裸体静止状态下人体第i部位周围空气层热阻；
[0042]
4)计算人体第i个部位的等效温度t
eq,i
，即：
[0043][0044]
式中，t
sk，i
为人体第i个部位的皮肤表面温度；
[0045]
5)计算t
eq,overall
总体等效温度，即：
[0046][0047]
式中，wi表示权重；
[0048]
6)计算最大等效温度差δt
eq,max
，即：
[0049]
δt
eq,max
＝t
eq,max-t
eq,min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0050]
式中，t
eq,max
、t
eq,min
分别表示人体各部位的最大等效温度和最小等效温度。
[0051]
优选的，当局部供暖设备为对流型设备时，对流换热系数h
c,i
＝bvn；当局部供暖设备为辐射型时，对流换热系数h
c,i
＝2.38(t
cl,i-t
ar,i
)
0.25
；其中，t
cl,i
为人体第i个部位表面温度；t
ar,i
为人体第i个部位空气温度；b为系数；v为空气流速；n为指数；
[0052]
局部供暖下的舒适性能提升调节装置的控制方法，包括以下步骤：
[0053]
1)所述室内数据采集装置采集环境数据和人体数据，并传输至计算控制器；
[0054]
2)所述计算控制器根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
；
[0055]
3)所述计算控制器判断总体等效温度t
eq，overall
是否位于总体等效舒适区间内，若否，则进入步骤4)，若是，则进入步骤5)；
[0056]
4)所述计算控制器根据总体等效温度t
eq，overall
生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门，使电动阀门调控局部供暖设备的供暖温度，并返回步骤1)；
[0057]
5)所述计算控制器判断最大等效温度差δt
eq，max
是否位于最大等效温度差舒适区间内，若是，则维持当前供暖模式和供暖温度，并返回步骤1)；若否，则进入步骤6)；
[0058]
6)所述计算控制器根据最大等效温度差δt
eq，max
生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门，使电动阀门调控局部供暖设备(4)的供暖模式，从而改变人体受热部位，并返回步骤1)。
[0059]
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明装置的控制方法通过计算控制器得到的局部供暖热舒适指标t
eq，overall
(整体等效温度)和δt
eq，max
(最大等效温度差)与设定舒适区进行比较，从而由计算控制器向电动阀门发出动作指令，进而调节对流式或辐射式局部供暖装置的刺激部位和供暖温度，以达到舒适效果。本发明具有使用方便、反应灵敏、能及时调节室内工作区热舒适状态的特点。
附图说明
[0060]
图1为本发明专利流程图；
[0061]
图2为本发明的装配图，
[0062]
图中：室内数据采集器1，计算控制器2，电动阀门3，局部供暖设备4，房间5。
具体实施方式
[0063]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0064]
实施例1：
[0065]
参见图1至图2，局部供暖下的舒适性能提升调节装置，包括布置在房间5内的室内数据采集装置1，计算控制器2和电动阀门3；
[0066]
所述室内数据采集装置1采集环境数据和人体数据，并传输至计算控制器2；
[0067]
所述计算控制器2对环境数据和人体数据进行处理，得到电动阀门3控制信号；
[0068]
所述计算控制器2将电动阀门控制信号传输至电动阀门3；
[0069]
所述电动阀门3根据电动阀门控制信号调控局部供暖设备4。
[0070]
优选的，所述室内数据采集装置1包括红外测温仪、空气温度测量仪、风速传感器、黑球温度传感器；
[0071]
所述红外测温仪用于采集人体表面温度t
cl
；
[0072]
所述空气温度测量仪用于采集空气温度t
ar
；
[0073]
所述风速传感器用于空气流速v；
[0074]
所述黑球温度传感器用于采集平均辐射温度tr。
[0075]
所述环境数据包括空气温度t
ar
、平均辐射温度tr和空气流速v；
[0076]
所述人体数据包括人体表面温度t
cl
。
[0077]
所述空气温度t
ar
包括人体各部位所在的空气温度；
[0078]
所述人体表面温度t
cl
包括人体各部位表面温度。
[0079]
所述室内数据采集装置1布置在局部供暖设备所在区域内。
[0080]
所述计算控制器2对环境数据和人体数据进行处理，得到电动阀门3控制信号的步骤包括：
[0081]
1)所述计算控制器2根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
；
[0082]
所述计算控制器2根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
的步骤包括：
[0083]
1.1)计算人体第i个部位的对流换热量ci，即：
[0084]ci
＝h
c,i
(t
cl，i-t
ar,i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0085]
式中，h
c,i
为对流换热系数；t
cl，i
为人体第i个部位的表面温度；t
ar,i
为人体第i个部位所在空气温度；
[0086]
1.2)计算人体与环境的辐射换热量ri，即：
[0087][0088]
式中，ε为人体发射率；σ为波尔兹曼常数；f
cl,i
为人体第i个部位的服装面积系数；f
eff,i
为人体第i个部位的有效辐射面积系数；tr为平均辐射温度；
[0089]
其中，服装面积系数f
cl,i
如下所示：
[0090]fcl,i
＝1 0.3i
cl,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0091]
式中，i
cl,i
为人体第i个部位的服装热阻。
[0092]
1.3)计算人体第i个部位的总换热系数h
cal，i
，即：
[0093][0094]
其中，人体裸体状态下第i个部位周围空气层工作热阻i
ar,i
如下所示：
[0095][0096]
式中，v
ar,i
为风速；vw为人体步行速度；i
a,i
为站姿裸体静止状态下人体第i部位周围空气层热阻；
[0097]
1.4)计算人体第i个部位的等效温度t
eq,i
，即：
[0098][0099]
式中，t
sk，i
为人体第i个部位的皮肤表面温度；
[0100]
1.5)计算t
eq,overall
总体等效温度，即：
[0101]
t
eq,overall
＝0.2
·
t
eq,额头
0.08
·
t
eq,背
0.04
·
t
eq,胸
0.18
·
t
eq,前臂
0.23
·
t
eq,手
0.2
·
t
eq,小腿
0.19
·
t
eq,脚
ꢀꢀ
(7)
[0102]
1.6)计算最大等效温度差δt
eq,max
，即：
[0103]
δt
eq,max
＝t
eq,max-t
eq,min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0104]
式中，t
eq,max
、t
eq,min
分别表示人体各部位的最大等效温度和最小等效温度。
[0105]
当局部供暖设备4为对流型设备时，对流换热系数h
c,i
＝bvn；当局部供暖设备4为辐射型时，对流换热系数h
c,i
＝2.38(t
cl,i-t
ar,i
)
0.25
；其中，t
cl,i
为人体第i个部位表面温度；t
ar,i
为人体第i个部位空气温度；b为系数；v为空气流速；n为指数；
[0106]
2)所述计算控制器2判断总体等效温度t
eq，overall
是否位于总体等效舒适区间内，若否，则进入步骤3)，若是，则进入步骤4)；
[0107]
3)所述计算控制器2生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门3，使电动阀门3调控局部供暖设备4的供暖温度，并返回步骤1)；
[0108]
4)所述计算控制器2判断最大等效温度差δt
eq，max
是否位于最大等效温度差舒适区间内，若是，则维持当前供暖模式和供暖温度，并返回步骤1)；若否，则进入步骤5)；
[0109]
5)所述计算控制器2生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门3，使电动阀门3调控局部供暖设备4的供暖模式，改变人体受热部位，并返回步骤1)。
[0110]
所述总体等效舒适区间和最大等效温度差舒适区间预先存储在计算控制器2内
[0111]
局部供暖下的舒适性能提升调节装置的控制方法，包括以下步骤：
[0112]
1)所述室内数据采集装置1采集环境数据和人体数据，并传输至计算控制器2；
[0113]
2)所述计算控制器2根据实时环境数据和人体数据计算得到人体的总体等效温度t
eq，overall
和最大等效温度差δt
eq，max
；
[0114]
3)所述计算控制器2判断总体等效温度t
eq，overall
是否位于总体等效舒适区间内，若否，则进入步骤4)，若是，则进入步骤5)；
[0115]
4)所述计算控制器2根据总体等效温度t
eq，overall
生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门3，使电动阀门3调控局部供暖设备4的供暖温度，并返回步骤1)；
[0116]
5)所述计算控制器2判断最大等效温度差δt
eq，max
是否位于最大等效温度差舒适区间内，若是，则维持当前供暖模式和供暖温度，并返回步骤1)；若否，则进入步骤6)；
[0117]
6)所述计算控制器2根据最大等效温度差δt
eq，max
生成电动阀门控制信号，并传输至电动阀门3，使电动阀门3调控局部供暖设备4的供暖模式，从而改变人体受热部位，并返回步骤1)。
[0118]
实施例2：
[0119]
基于非均匀热环境评价模型的局部供暖性能提升调节装置，主要内容见实施例1，该装置包括室内数据采集装置，计算控制器和电动阀门。
[0120]
所述室内数据采集装置包括红外测温仪、空气温度测量仪、风速传感器、黑球温度传感器，每种集成为杆状置于局部供暖设备旁距地0.1m、0.35m、0.6m、0.9m、1.1m处且面向使用者。
[0121]
实施例3：
[0122]
基于非均匀热环境评价模型的局部供暖性能提升调节装置的控制方法，主要内容见实施例1-2，该方法包括以下步骤；
[0123]
在计算控制器装载的程序中提前设定部分参数值，所述参数值包括强迫对流换热系数、自然对流换热系数、有效辐射面积系数等。同时，设定目标参数范围。第一类舒适区间时：18.9℃≤t
eq，overall
≤24.8℃，2.1℃≤δt
eq，max
≤6.1℃；第二类舒适区间时：16.8℃≤t
eq，overall
≤26.8℃，6.1℃≤δt
eq，max
≤7.5℃。厂家可根据产品性能设置采取第一类舒适区间还是第二类舒适区间。
[0124]
室内数据采集器启动，收集空气温度t
ar
，人体表面温度t
cl
，黑球温度tr以及空气流速v。
[0125]
计算控制器实时接收来自室内数据采集装置中的数据，计算控制器将接收到的数据进行局部供暖热舒适指标t
eq，overall
和δt
eq，max
计算比较。
[0126]
现对若计算控制器计算得到的t
eq，overall
值进行比较。若t
eq，overall
在设定范围内，继续判断δt
eq，max
是否在设定范围内，若δt
eq，max
也在范围内则维持现有供暖模式，δt
eq，max
不在范围内，则改变供暖刺激部位，直到δt
eq，max
在范围内。若t
eq，overall
不在设定范围内，改变供暖温度直到t
eq，overall
在范围内，再重复上述步骤调整δt
eq，max
使其在范围内。
[0127]
实施例4：
[0128]
基于非均匀热环境评价模型的局部供暖性能提升调节装置，主要内容见实施例1-3，该装置包括室内数据采集装置，计算控制器和电动阀门。
[0129]
所述室内数据采集装置包括红外测温仪、空气温度测量仪、风速传感器、黑球温度传感器，每种集成为杆状置于局部供暖设备旁距地0.1m、0.35m、0.6m、0.9m、1.1m处且面向使用者，所述室内数据采集装置的数据输出端分别通过配套的数据连接线与计算控制器连接，并将数据实时传输给非均匀热环境评价模型计算控制器，进行是否对当前供暖模式进行调整的计算分析，达到及时调节，提供舒适的室内局部热环境的控制目的。
[0130]
所述电动阀门通过配套的数据连接线与计算控制器连接，同时通过导线与原局部供暖设备系统控制箱的控制端连接。所述室内环境采集装置对电动阀门形成控制，当计算控制器计算出的参数不满足设定要求时，调整电动阀门直至计算控制器计算出的参数满足设定要求。
[0131]
所述计算控制器市够(厂家定制)的装载非均匀热环境评价模型计算比较程序(厂家定制)的芯片或单片机。本装置的计算控制器装置在局部取暖装置的一旁。当局部供暖设备未开启时，用以实时接收室内数据采集装置传输来的数据参数，通过程序进行非均匀热环境评价模型的计算比较，并发出控制信号给电动阀门，实现局部供暖系统及时的调控控制，达到维持局部热舒适的目的。
[0132]
所述多种传感器集成为杆状置于局部供暖设备旁分别检测距地0.1m、0.35m、0.6m、0.9m、1.1m处数据且面向使用者。所述计算控制器固定在局部供暖设备上。所述电动阀门装设在局部供暖设备上。
[0133]
实施例5：
[0134]
基于非均匀热环境评价模型的局部供暖设备的供暖调节控制方法，主要内容见实施例1-4，其中，所述的非均匀热环境评价指标t
eq，overall
和δt
eq，max
计算比较程序的计算控制器计算过程包括以下步骤：
[0135]
1)通过室内数据采集装置中温度传感器测得的空气温度t
ar
，人体表面温度t
cl
，黑球温度传感器测得的黑球温度tr以及风速传感器测得的空气流速v。
[0136]
2)将步骤1中的数据均输入计算控制器中计算。
[0137]
3)温度传感器测得的各部位空气温度t
a,i
，红外测温仪测得的人体各部位外表或服装外表面温度t
cl,i
,通过公式1计算得出人体各部位的对流换热量
[0138]ci
＝h
c,i
(t
cl，i-t
a,i
)(1)
[0139]
式中hc,i为对流换热系数，局部供暖设备为对流型时，为强迫对流h1＝bvn，局部供暖设备为辐射型时，为自然对流h2＝2.38(t
cl-t
ar
)
0.25
。一般采取表1公式计算得出人体坐姿状态下各局部部位的强迫对流换热系数值，采取表2数值作为人体坐姿状态下各局部部位的自然对流换热系数值。
[0140]
表1人体坐姿状态下各局部部位的强迫对流换热系数
[0141][0142]
表2人体坐姿状态下各局部部位的自然对流换热系数
[0143][0144]
4)通过黑球温度计测得的平均辐射温度tr以及各部位人体各部位外表或服装外表面温度t
cl,i
，通过公式2计算人体与环境的辐射换热量。
[0145][0146]fcl
＝1 0.3i
cl
[0147]
式中，ε为人体发射率，人体皮肤的发射率近似为1，而大多数服装的发射率约为0.95，所以在一般的辐射换热计算中，发射率可取皮肤与服装的发射率平均值0.97。σ为波尔兹曼常数，5.67
×
10-8
，w/(m2.k4)。f
cl,i
为服装面积系数，通过公式3计算得出，其中i
cl
为服装热阻，clo。f
eff,i
为有效辐射面积系数，根据表3确定。
[0148]
表3人体坐姿状态下各局部部位的有效辐射面积系数值
[0149][0150]
5)通过公式3计算各部位总换热系数
[0151][0152][0153]
式中，i
cl,i
，i为人体第i部位的服装热阻，clo；i
ar,i
为人体裸体状态下周围空气层工作热阻，clo；v
ar,i
为风速，m/s，静止空气中，坐姿人体取0.07m/s；vw为人体步行速度，m/s，其计算方程如下：
[0154]
当步行速度大于0.7m/s时，vw＝0.7m/s；
[0155]
当人处于静止状态或从事其他活动时，vw＝0.0052(m-58)m/s；
[0156]
6)通过公式4计算各个部位的等效温度
[0157][0158]
式中，t
sk,i
为各部位皮肤表面温度
[0159]
7)通过公式5计算总体等效温度
[0160]
t
eq,overall
＝0.2
·
t
eq,额头
0.08
·
t
eq,背
0.04
·
t
eq,胸
0.18
·
t
eq,前臂
0.23
·
t
eq,手
0.2
·
t
eq,小腿
0.19
·
t
eq,脚
(5)
[0161]
8)通过公式6计算最大等效温度差
[0162]
δt
eq,max
＝t
eq,max-t
eq,min
ꢀꢀ
(6)
[0163]
9)将计算出的总体等效温度与最大等效温度差与下表进行对比，不在区间内时进行调整。
[0164][0165]
本发明公开了一种基于非均匀热环境评价模型的局部供暖性能提升调节装置及控制方法，所述装置包括室内数据采集装置、计算控制器和电动阀门。所述室内数据采集装
置包括红外测温仪，空气温度测量仪，风速测量探头，分别通过数据连接线与计算控制器的数据输入端连接，且与电动阀门形成联动控制。所述电动阀门通过数据连接线与计算控制器连接，且通过导线与局部供暖设备控制器连接。本发明装置的控制方法通过计算控制器得到的局部供暖热舒适指标t
eq，overall
(整体等效温度)和δt
eq，max
(最大等效温度差)与设定舒适区的t
eq，overall
，δt
eq，max
的大小进行比较，从而由计算控制器向电动阀门发出动作指令，进而调节对流式或辐射式局部供暖装置的刺激部位和供暖温度达到舒适效果。
[0166]
实施例6：
[0167]
如图2所示，一种用于基于非均匀热环境评价模型的对流式局部供暖性能提升调节装置，主要内容见实施例1-5，该装置包括室内数据采集装置1、计算控制器2和电动阀门3。
[0168]
所述室内数据采集装置1(厂家定制)包括红外测温仪，空气温度测量仪，风速测量探头，装设于0.1米、0.35米、0.6米、0.7米、0.9米、1.1米高度上且安装于对流式局部供暖设备旁并与设备直接连接，所述室内数据采集装置1的输出端分别通过配套的数据连接线与计算控制器2连接。
[0169]
所述电动阀门3通过配套数据连接线与计算控制器2连接，同时通过导线与原对流式局部供暖设备控制箱的控制端连接，控制对流式局部供暖设备的风量、吹风角度。
[0170]
所述计算控制器2(厂家定制)装载局部供暖热舒适指标t
eq，overall
(整体等效温度)和δt
eq，max
(最大等效温度差)计算比较程序的芯片(厂家定制)。放置在原空调系统的控制箱中，用以实时接受室内数据采集器传输来的数据。