《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Fuzzy logic based smart real-time control of evaporative cooling systems for enhanced energy efficiency and thermal comfort in buildings: experimental validation using a cyber-physical system
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本文设计并实现了一种基于离散和模糊逻辑的自适应CPS系统，用于实时调节直接蒸发式冷却器温度。实验表明，自适应控制较离散控制每日节省27-40%风扇能耗，同时保持冷却效果（0.60-0.67），维持室温接近28°C，验证了其在HVAC系统中的实际潜力。
阿比拉什·什里瓦斯塔瓦（Abhilash Shrivastava）| 潘卡杰·库马尔·乔贝（Pankaj Kumar Choubey）| 古鲁·普拉萨德·米什拉（Guru Prasad Mishra）
印度恰蒂斯加尔邦赖布尔国立技术学院电子与通信工程系，邮编492010
摘要
本文介绍了一种基于离散逻辑和模糊逻辑的自适应风扇控制系统的设计与实现，该系统用于直接蒸发冷却器的实时温度调节。在炎热干燥的气候条件下，实验验证在受控室内环境进行了连续七天。与离散控制相比，自适应风扇控制使每日风扇能耗降低了27-40%，同时保持了相当的冷却效果（约0.60-0.67）。由于采用了基于相对湿度（RH）的稳定控制逻辑，水泵能耗保持稳定（约80-120瓦时/天）。该系统通过使用DHT22传感器、风扇、水泵和PYNQ-Z2 FPGA平台集成了传感、计算和执行功能。系统能够将室内温度维持在28°C的目标值附近，表现出更好的稳定性和响应性。此外，该系统还针对26°C、27°C和29°C的设定点进行了测试，以分析为何28°C更为理想。能量和性能图表进一步证实了自适应控制方法的平稳和高效运行。所提出的CPS架构在节能供暖、通风和空调（HVAC）系统中具有实际应用潜力，并突显了自适应嵌入式控制在现实环境条件下的优势。
引言
在现代建筑中，HVAC系统占据了相当大的能耗比例，尤其是在炎热干燥的气候条件下，这一比例通常超过40% [1]。提高其效率对于降低运营成本和减少环境影响至关重要。传统的蒸汽压缩空调虽然有效，但能耗极高，并且会导致电力需求高峰和温室气体排放。直接蒸发冷却（DEC）提供了一种低能耗的替代方案，尤其是在印度、中东和美国西南部等干旱和半干旱地区 [2]。传统的蒸发冷却器通常依赖于固定速度的风扇和简单的开/关控制逻辑。尽管这些系统易于实施，但它们无法平滑适应室内条件的变化，可能导致能源使用不高效、室内舒适度波动以及不必要的机械磨损。自适应和智能控制方法（如模糊逻辑 [3]、[4]、[5] 和模型预测控制 [6]、[7]、[8]）在HVAC优化方面显示出潜力。然而，大多数现有研究集中在模拟或大型商业建筑上，对于小型住宅型系统的实验验证还存在不足。本研究提出了一种用于小型DEC系统智能实时控制的赛博物理系统（CPS）。该系统根据通过PYNQ-Z2 FPGA板上的嵌入式计算处理的连续传感器反馈来调节风扇速度和水泵运行。本文实现了两种控制策略并进行比较：i) 离散控制方法；ii) 自适应控制方法。这两种策略都旨在将室内温度维持在28°C附近，相对湿度保持在40%到60%之间。系统在真实的室内条件下进行了为期七天的测试，每天记录约六小时的数据，包括能耗、热舒适度和冷却效率。结果表明，自适应控制策略通过避免频繁的高速运行显著降低了风扇能耗，同时保持了可接受的热环境。尽管离散控制方法由于更频繁的高速风扇运行而在冷却效果上稍优，但其能耗更高，热波动也更为明显。所提出的基于CPS的控制架构为提高住宅和商业建筑的能源效率和舒适度提供了实用且可扩展的解决方案。
参考文献概述
简要文献综述
先进的HVAC控制系统开发越来越多地受到CPS集成的影响。这些系统旨在平衡能源效率与居住者的舒适度。重要的是，将温度和湿度维持在可接受范围内对于实现有效的室内温度调节至关重要。本节回顾了有关传统和智能HVAC控制方法的现有文献，强调了它们的优点和局限性。
系统概述
本研究提出了一种用于实时温度和湿度调节的CPS，采用蒸发冷却方法。该系统集成了传感、计算和执行功能，以优化能源效率并提高家庭环境中的热舒适度。实现了两种不同的控制策略：(i) 离散风扇速度控制；(ii) 基于模糊逻辑的自适应控制。通过控制水泵的运行来维持湿度在舒适范围内。
控制方法
系统通过两种策略进行控制：a) 离散控制；b) 自适应控制。
环境
系统在一个尺寸为10×12×7英尺的受控室内运行。设置包括：
- •
1370转/分钟的风扇（70瓦)
- •
20瓦的蒸发水泵
- •
VFD：Delta VFD007EL21W-1
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数模转换器（DAC）：MCP4725
- •
用于传感的Arduino Nano
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用于控制计算的PYNQ-Z2
- •
USB电缆和计算机接口
DHT22传感器连接到Arduino Nano，通过USB UART将数据传输到PYNQ-Z2板。USB电缆还为Arduino供电。Python脚本在PYNQ板的Jupyter Notebook环境中执行。
结果与讨论
本节对比分析了使用蒸发冷却技术的离散控制和自适应控制策略在温度调节方面的性能。评估指标包括三个核心指标：温度稳定性、能源效率和蒸发效果。实验数据收集于2025年4月15日至21日的7天内，每6分钟采样一次，涵盖三个时间段：上午（7-9点）、下午（1-3点）和晚上（7-9点）。测试了多个温度设定点（26°C、27°C、28°C）。
结论
本研究成功证明了通过模糊逻辑实现的自适应风扇速度控制相较于传统离散控制在蒸发冷却系统中的优越性，无论是在热舒适度还是能源效率方面。基于PYNQ-Z2平台的赛博物理系统实现了实时传感、计算和执行的无缝集成。研究结果表明，自适应控制不仅将风扇的总能耗降低了约30%，还
作者贡献声明
阿比拉什·什里瓦斯塔瓦（Abhilash Shrivastava）：撰写初稿、软件开发、资源准备、方法论设计、调查分析、概念构思。
潘卡杰·库马尔·乔贝（Pankaj Kumar Choubey）：软件开发、数据整理。
古鲁·普拉萨德·米什拉（Guru Prasad Mishra）：撰写审查与编辑、项目监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
