基于乘客热舒适指标的地铁车厢空调控制系统研究

(青岛理工大学 山东 青岛 266033)

基于乘客热舒适指标的地铁车厢空调控制系统研究

夏积玉

(青岛理工大学山东青岛266033)

本文以体感热舒适理论作为列车空调热舒适评价的理论依据，综合考虑人体新陈代谢率，服装热阻，温度，湿度，风速，辐射温度等对人体热舒适的影响。结合实际情况根据室外气象参数，载客量等数据得出计算人体热舒适指标PMV所需参数，从而给出适用于地铁车厢空调的PMV计算方法。运用PID控制的方法来控制车厢内热舒适环境，使车厢内的环境满足乘客的需求。运用MATLAB软件建立控制仿真模型，进行SIMULINK仿真，验证控制方法的可行性。

地铁车厢空调；热舒适指标PMV；PID控制

一、前言

随着我国的经济的发展，城镇化的进程的推进，城市面临着日益严重的交通和环境问题。地铁作为一种高效通勤，快速，准点，环境污染小的交通工具有效地解决了城市交通拥堵问题。随着乘坐地铁的乘客越来越多，对地铁的热舒适环境提出了更高的要求。地铁车厢与建筑空间有很大的不同。地铁车厢人员密度大且不固定，而且地铁车厢内的温湿度、风速、乘客的新陈代谢率等参数都会不同程度的受到车厢人员密度的影响。地铁车厢不同于办公住宅等建筑，地铁车厢属于公共场所，人体服装调节受限，乘客的着装受所处地区当天室外气象参数的影响，进入车厢后无法较方便的进行着装的调节，属于热环境的被动接受者。

二、地铁车厢空调系统控制现状

我国对地铁车厢热舒适环境没有明确规定，且各地根据自身情况设定不同的控制方式。各地的相关规定多参照国际铁路联盟标准规范(UIC553-2004)对室内温度进行设定。国际铁路联盟标准规范以室内外温差作为车厢设定温度的标准，国内的地铁设计规范、地铁车辆通用技术条件(GB/T7928-2003)、等相关设计规范大多只考虑控制温度，未考虑到乘客的服装热阻，乘客人员数量，车厢内空气流速等诸多因素[2]。影响人体热舒适的因素有平均辐射温度，新陈代谢率，做功情况，空气流速，相对湿度，服装热阻等诸多因素。单一的温度控制无法满足热舒适的控制要求。车内极易出现过冷过热情况[3]。我国目前在地铁车厢的温度控制上，并未给出统一明确的设定标准，主要借UIC553的温度曲线，并给出了优化。

三、控制方案的选择及PMV计算

(一)控制方案的选择

本文以乘客热舒适指标PMV为地铁车厢热舒适情况的理论依据，运用PID控制的方法控制地铁车厢热环境，该控制器的输入变量为车厢内空气温度及车厢内空气温度变化率，设定温度由计算器通过计算热舒适指标PMV给出。是一种热舒适指标的间接控制方式，根据实时测得载客量、与该地区当天室外气象参数作为输入参数计算出热舒适指标PMV等于0的温度值作为设定值。

(二)PMV计算方法

地铁车厢中，温湿度、风速均可以由相应的传感器监测，基于风速传感器价格昂贵且易于损坏的特点，可通过CFD模拟的方法确定乘客区的风速大小并给出设定值。在低风速情况下(我国暖通空调设计规范规定:夏季舒适空调风速不应大于0.3m/s)且风速变化不大的舒适空调环境,在计算PMV指标时,完全可将风速设定为常数0.2m/s。乘客在地铁车厢内做功可视为零。一般空调房间相对湿度的分布是比较均匀的，在一个点对湿度的测量结果可以代表整个房间的湿度，由于湿度对人体热舒适的影响较小，因此不必要对湿度进行精确控制，不同标准都是给出一个范围。地铁中的空气温度基本上处于16-25℃之间，空气湿度对热感觉的影响相对较小。本计算程序空气相对湿度取值为0.5。平均辐射温度的各种计算方法在车厢中实现起来相当复杂，黑球温度计又有一定的延迟性，在地铁车厢中并不能很好的实现实时测量。根据车厢内的空气温度，由下式即可求出平均辐射温度。

tr=0.868ta+1.0856

在地铁车厢中，乘客的活动状态与载客量有很大关系，因此可以根据载客量来预测车厢中乘客的状态，然后得出车厢中乘客的整体代谢率水平。

在地铁车厢这类公共场所中，乘客的衣着量基本与室外相同，影响室外着装的主要因素是室外温、湿度风速等气象参数，可根据参考文献确定，然后运用下式计算PMV。

运用上式及相关计算方法计算PMV为地铁车厢热舒适的控制提供依据。

四、系统仿真

尽管现代控制理论出现了模糊控制，神经网络控制等多种控制理论，但这些控制方法本身比较复杂，工程应用比较麻烦。PID控制作为一种简单可靠的经典控制理论在工程实际中仍然得到广泛应用。根据PID控制原理与地铁车厢空调系统的情况基于MATLAB/SIMULINK软件进行仿真，其模型如下：

图1 地铁车厢空调控制系统仿真模型

上述模型中输入为单位阶跃信号，仿真时间设置为1000s，TransferFcn3为空调系统传递函数，TransferFcn为地铁车厢传递函数，TransportDelay1、TransportDelay为空调系统和地铁车厢相应的时间延迟。利用Ziegler-Nichols法根据给定对象的瞬态响应特性来确定PID控制器的参数。进系统仿真得出如下图所示的系统响应曲线。

图2 地铁车厢空调控制系统仿真模型响应曲线

[1]孙丽花.某线地铁列车客室冷热不均机理分析及改进[J].城市轨道交通研究,2015,18(7):116-118.

[2]马沂文.地铁车辆通用技术条件(GB/T7928-2003)标准解读(续完)[J].电力机车与城轨车辆,2006,29(4):88-90.

[3]蒋雅萌.地铁车厢内夏季热环境的现场研究[D].青岛理工大学,2014.

夏积玉(1992.08-)，男，汉，河南省周口市，研究生，青岛理工大学，研究方向建筑与列车空调节能技术。