碳纖維電地暖的智能溫控及蓄能系統

于瀚森

（山東科技大學，山東 泰安 271000）

碳纖維電地暖中的發熱電纜相較于合金、金屬類的發熱電纜，能夠節能20%以上并且電磁輻射非常小，不僅性能優良、對人體損害小還能滿足節能的需要。一般來說，電地暖系統的供暖方式是對整個樓層進行全天的供暖，如果缺乏良好、精確的溫度控制方法，會經常出現供暖不足或供暖過度的情況。這不僅會降低居住舒適性，還會造成嚴重的資源浪費。

1 關鍵技術

1.1 碳纖維電地暖系統

該智能溫度控制及蓄能系統主要由模糊PID溫度控制器和碳纖維發熱電纜兩部分組成，模糊PID溫度控制器通過導線與碳纖維發熱電纜連接起來[1]。主要工作原理是碳纖維電纜通電后開始加熱，指示燈亮起提醒住戶，住戶根據自身需求設定室內需要達到的溫度值，并通過顯示屏了解溫度傳感器實時測定的溫度，當室內溫度達到住戶設定的溫度后，住戶可通過溫度控制器降低電地暖的功率來維持室內溫度的恒定，或者通過溫度控制器提高電地暖的功率來繼續加熱，提高室內溫度，流程圖如下（圖1）。

圖1 碳化纖維地暖系統加溫流程

碳纖維作為國家節能大綱中所推薦的節能材料，是一種集環保、節能、安全等優點于一體的加熱材料。相較于金屬發熱電纜，碳纖維發熱電纜升溫快、效率高，碳纖維的電傳熱轉化率高達98%以上，并且更加節能環保。其次，相較于傳統供暖系統的設備壽命有限、維護期短、維護費用高，碳纖維電地暖的使用壽命同建筑物壽命一樣，且使用期間無需維護，這大大減少了開發商的投資成本和后期維護費用[2]。對于住戶而言，由以前統一繳納供暖費的被動方式轉化為主動購電的方式，用電少者繳納的電費少，經濟合理，用電多者繳納的電費多，刺激他們提高節能意識，對于物業管理者而言，大大降低了勞動力的投入并減少了管理工作量。

1.2 模糊PID控制器

與碳纖維電地暖串聯的電能表和放置在發熱電纜周圍的溫度測量裝置所實時測定的數值，由信號轉換器轉換為電信號，經過模糊PID控制器處理，完成對電能的合理分配及控制。系統會通過住戶設定的溫度值與信號轉換器傳輸回來的發熱電纜實時溫度值作比較，獲取二者之間的偏差e以及偏差隨時間的變化值ec同時輸入到模糊控制器中，對輸入值進行模糊化處理，根據模糊規則對PID的參數Kp、Ki、Kd分別進行調整，以滿足不同的偏差e和偏差增量ec對PID參數的不同要求，從而控制發熱電纜的發熱功率及電能的輸出來克服偏差，結構圖如下。

圖2 纖維地暖PID控制器

與傳統的PID控制器相比，模糊PID控制器是將模糊控制算法與PID控制算法結合起來，兼具模糊控制算法的智能性同時又具有PID算法的實用性，既克服了傳統PID控制器不能同時考慮系統動態和靜態性能的缺點，又彌補了單純模糊控制不能消除靜態誤差的缺陷。它對地暖系統的非線性、時變性和耦合性有良好的控制效果。

1.3 Kp、Ki、Kd參數模糊規則設計

PID的控制器中參數Kp的大小決定了溫度控制系統響應速度的快慢，一般情況下，適當的提高Kp值會提高溫度控制系統的響應速度，Kp值過小會使溫度控制系統的響應速度降低，影響到對溫度檢測的準確性和對溫度控制的及時性。因此，在系統運行初期，適當提高Kp值，以保證溫度控制系統的初始響應速度。隨著系統的運行，應適當降低Kp值，以防止溫度控制系統因Kp值過高而引起的穩定性降低和超調。在溫度控制系統調整過程的后期，再增加Kp值，以減小靜差、保證控制精度。

由于飽和非線性等原因，在溫度控制系統的初期常常會出現積分飽和現象，導致系統出現較大的超調量，這不符合積分控制消除系統穩態偏差的目的。因此在系統調節的開始階段，可以適當的減弱積分作用，甚至可以調零，來防止積分飽和問題的出現，但在系統調節的中期階段，應適當提高積分作用并維持在一定程度，保證系統的穩定性。同樣系統調節的后期也應注意減小靜差的問題，可以通過增強積分作用來實現。

溫度控制系統中的微分控制對維持系統動態穩定特性有著決定性作用，在住戶設定的溫度值和發熱電纜實時溫度值之間的偏差動態變化過程中，溫度控制系統的微分環節的系數Kd能及時反映信號轉換器傳輸回來的信號以及信號的變化趨勢，當偏差發生較大的變化時，溫度控制系統的微分環節會及時向溫度控制系統中引入一個修正的信號，通過提高溫度控制系統的響應速度來減少調整的時間。

根據實際過程經驗，在系統的調整初期，應適當增加微分環節的功能，防止超調。在溫度控制系統調節的中間階段，Kd值可以適當減小和固定。最后，在溫度控制系統調整的后期，可以通過降低Kd值來削弱被控過程中的制動效果，以補償在溫度控制系統調整初期的調節時間過長問題。

2 現實意義和可行性研究

在冬季，住戶每天只需將發熱電纜的實際發熱時間控制在3個小時～6個小時，即可維持室溫在18℃～22℃，與傳統地暖全天的供暖方式相比，大大節省了能源的消耗。

溫度控制系統是由住戶本人根據自身意愿親自操作，充分滿足住戶主人公的意識。并且在系統蓄能功能的作用和國家峰谷電價優惠政策下，普通住戶供暖的購電費用只占以前傳統供暖費用的60%，一方面節省了住戶的花銷，另一方面從主觀角度，由現實繳納的費用來直接刺激住戶，使住戶意識到節能的重要性。

同時由個人主動提交電費的方式取代之前物業管理人員收取供暖費用的方式，大大減少了物業管理人員的工作量，并且有利于提高管理人員的工作效率。對于開發商而言不僅減少了地暖后期的維修費用和人力投入，樓房供暖的品質方面也有保證，并且樓房地暖高品質的優勢完全可以作為樓房的賣點。