碳纤维电地暖的智能温控及蓄能系统

于瀚森

（山东科技大学，山东 泰安 271000）

碳纤维电地暖中的发热电缆相较于合金、金属类的发热电缆，能够节能20%以上并且电磁辐射非常小，不仅性能优良、对人体损害小还能满足节能的需要。一般来说，电地暖系统的供暖方式是对整个楼层进行全天的供暖，如果缺乏良好、精确的温度控制方法，会经常出现供暖不足或供暖过度的情况。这不仅会降低居住舒适性，还会造成严重的资源浪费。

1 关键技术

1.1 碳纤维电地暖系统

该智能温度控制及蓄能系统主要由模糊PID温度控制器和碳纤维发热电缆两部分组成，模糊PID温度控制器通过导线与碳纤维发热电缆连接起来[1]。主要工作原理是碳纤维电缆通电后开始加热，指示灯亮起提醒住户，住户根据自身需求设定室内需要达到的温度值，并通过显示屏了解温度传感器实时测定的温度，当室内温度达到住户设定的温度后，住户可通过温度控制器降低电地暖的功率来维持室内温度的恒定，或者通过温度控制器提高电地暖的功率来继续加热，提高室内温度，流程图如下（图1）。

图1 碳化纤维地暖系统加温流程

碳纤维作为国家节能大纲中所推荐的节能材料，是一种集环保、节能、安全等优点于一体的加热材料。相较于金属发热电缆，碳纤维发热电缆升温快、效率高，碳纤维的电传热转化率高达98%以上，并且更加节能环保。其次，相较于传统供暖系统的设备寿命有限、维护期短、维护费用高，碳纤维电地暖的使用寿命同建筑物寿命一样，且使用期间无需维护，这大大减少了开发商的投资成本和后期维护费用[2]。对于住户而言，由以前统一缴纳供暖费的被动方式转化为主动购电的方式，用电少者缴纳的电费少，经济合理，用电多者缴纳的电费多，刺激他们提高节能意识，对于物业管理者而言，大大降低了劳动力的投入并减少了管理工作量。

1.2 模糊PID控制器

与碳纤维电地暖串联的电能表和放置在发热电缆周围的温度测量装置所实时测定的数值，由信号转换器转换为电信号，经过模糊PID控制器处理，完成对电能的合理分配及控制。系统会通过住户设定的温度值与信号转换器传输回来的发热电缆实时温度值作比较，获取二者之间的偏差e以及偏差随时间的变化值ec同时输入到模糊控制器中，对输入值进行模糊化处理，根据模糊规则对PID的参数Kp、Ki、Kd分别进行调整，以满足不同的偏差e和偏差增量ec对PID参数的不同要求，从而控制发热电缆的发热功率及电能的输出来克服偏差，结构图如下。

图2 纤维地暖PID控制器

与传统的PID控制器相比，模糊PID控制器是将模糊控制算法与PID控制算法结合起来，兼具模糊控制算法的智能性同时又具有PID算法的实用性，既克服了传统PID控制器不能同时考虑系统动态和静态性能的缺点，又弥补了单纯模糊控制不能消除静态误差的缺陷。它对地暖系统的非线性、时变性和耦合性有良好的控制效果。

1.3 Kp、Ki、Kd参数模糊规则设计

PID的控制器中参数Kp的大小决定了温度控制系统响应速度的快慢，一般情况下，适当的提高Kp值会提高温度控制系统的响应速度，Kp值过小会使温度控制系统的响应速度降低，影响到对温度检测的准确性和对温度控制的及时性。因此，在系统运行初期，适当提高Kp值，以保证温度控制系统的初始响应速度。随着系统的运行，应适当降低Kp值，以防止温度控制系统因Kp值过高而引起的稳定性降低和超调。在温度控制系统调整过程的后期，再增加Kp值，以减小静差、保证控制精度。

由于饱和非线性等原因，在温度控制系统的初期常常会出现积分饱和现象，导致系统出现较大的超调量，这不符合积分控制消除系统稳态偏差的目的。因此在系统调节的开始阶段，可以适当的减弱积分作用，甚至可以调零，来防止积分饱和问题的出现，但在系统调节的中期阶段，应适当提高积分作用并维持在一定程度，保证系统的稳定性。同样系统调节的后期也应注意减小静差的问题，可以通过增强积分作用来实现。

温度控制系统中的微分控制对维持系统动态稳定特性有着决定性作用，在住户设定的温度值和发热电缆实时温度值之间的偏差动态变化过程中，温度控制系统的微分环节的系数Kd能及时反映信号转换器传输回来的信号以及信号的变化趋势，当偏差发生较大的变化时，温度控制系统的微分环节会及时向温度控制系统中引入一个修正的信号，通过提高温度控制系统的响应速度来减少调整的时间。

根据实际过程经验，在系统的调整初期，应适当增加微分环节的功能，防止超调。在温度控制系统调节的中间阶段，Kd值可以适当减小和固定。最后，在温度控制系统调整的后期，可以通过降低Kd值来削弱被控过程中的制动效果，以补偿在温度控制系统调整初期的调节时间过长问题。

2 现实意义和可行性研究

在冬季，住户每天只需将发热电缆的实际发热时间控制在3个小时～6个小时，即可维持室温在18℃～22℃，与传统地暖全天的供暖方式相比，大大节省了能源的消耗。

温度控制系统是由住户本人根据自身意愿亲自操作，充分满足住户主人公的意识。并且在系统蓄能功能的作用和国家峰谷电价优惠政策下，普通住户供暖的购电费用只占以前传统供暖费用的60%，一方面节省了住户的花销，另一方面从主观角度，由现实缴纳的费用来直接刺激住户，使住户意识到节能的重要性。

同时由个人主动提交电费的方式取代之前物业管理人员收取供暖费用的方式，大大减少了物业管理人员的工作量，并且有利于提高管理人员的工作效率。对于开发商而言不仅减少了地暖后期的维修费用和人力投入，楼房供暖的品质方面也有保证，并且楼房地暖高品质的优势完全可以作为楼房的卖点。