碳纖維電地暖智能溫控及蓄能系統(tǒng)的應(yīng)用

李翠環(huán)

蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000

0 引言

相較其他金屬及合金形式的發(fā)熱電纜，碳纖維地暖中所應(yīng)用的發(fā)熱電纜具有良好的節(jié)能效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電磁輻射的顯著降低，可在滿足用戶供暖需求、提升舒適度的基礎(chǔ)上顯著減少電磁輻射對(duì)人體的傷害。通常情況下，電地暖系統(tǒng)屬于全天候供暖形式，在供暖過程中，溫度控制非常重要。只有做好溫度控制，才可以有效防止供暖過度所導(dǎo)致的資源浪費(fèi)及供暖不足對(duì)用戶舒適度的不良影響。因此，在碳纖維電地暖的設(shè)計(jì)與研究中，技術(shù)人員一定要加強(qiáng)其智能溫控和儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用研究，確保此類電地暖的應(yīng)用效果，在滿足用戶實(shí)際供暖需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源的最大化節(jié)約，以達(dá)到良好的節(jié)能環(huán)保效果，并充分保障用戶經(jīng)濟(jì)效益。

1 碳纖維電地暖系統(tǒng)及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 碳纖維電地暖系統(tǒng)概述

碳纖維電地暖的主要組成物質(zhì)是碳纖維分子，其比表面積十分發(fā)達(dá)，微孔徑十分豐富。在具體應(yīng)用中，電力從碳纖維分子中通過，進(jìn)而引起碳纖維分子的活動(dòng)振蕩，在其活動(dòng)振蕩過程中會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱量的獲取。在這種供暖方式中，其熱量傳播的方式有三種，分別為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。

1.2 碳纖維電地暖的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在碳纖維電地暖中含有大量的碳纖維晶體，它們會(huì)在電場(chǎng)作用下互相摩擦和振蕩，這種摩擦和振蕩也叫作布朗運(yùn)動(dòng)。在此過程中將會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生，進(jìn)而讓電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維晶體所具有的電熱轉(zhuǎn)換率可以超過98%，相較普通的鎳鉻合金電熱絲，其能耗可節(jié)約20%。

如果室內(nèi)的風(fēng)速在0.05 m/s以下，其輻射溫度變化的平均值為1 ℃左右，對(duì)人體熱感覺所產(chǎn)生的影響基本可保持一致。因?yàn)樘祭w維電地暖中產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外具有較高的輻射溫度，且會(huì)在室內(nèi)沿著高度方向均勻分布，具有很大的溫度梯度，在人感覺到室內(nèi)各個(gè)位置溫度都相同的情況下，可有效降低房間內(nèi)的熱負(fù)荷。相較傳統(tǒng)形式的對(duì)流散熱器供暖系統(tǒng)，碳纖維電地暖可在達(dá)到同等體感效果的基礎(chǔ)上降低2～3 ℃的溫度[1]。

在傳統(tǒng)形式的水暖對(duì)流散熱器供暖系統(tǒng)中，若要確保室內(nèi)的供暖效果，其水溫需要達(dá)到80～95 ℃。為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，在具體應(yīng)用中就需要耗費(fèi)很多的能源。在碳纖維電地暖的應(yīng)用中，因?yàn)槠鋺?yīng)用的是低溫輻射技術(shù)，所以只需要將底板加熱到25～30 ℃便可達(dá)到良好的供暖效果。因此，相較傳統(tǒng)的供暖方式，碳纖維電地暖這種供熱方式更具節(jié)能效果，且供熱更加均勻，室內(nèi)舒適性更佳。

2 碳纖維電地暖智能溫控與蓄能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

在碳纖維電地暖的應(yīng)用過程中，其智能溫度和蓄能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電地暖溫度調(diào)節(jié)與節(jié)能效果保障的關(guān)鍵。因此，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，相關(guān)人員一定要充分了解其關(guān)鍵技術(shù)，并使其技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，確保碳纖維電地暖的應(yīng)用效果。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

碳纖維電地暖智能溫控和蓄能系統(tǒng)主要由兩部分組成：PID模糊溫度控制器和碳纖維形式的發(fā)熱電纜。在具體設(shè)計(jì)中，借助導(dǎo)線將PID模糊溫度控制器連接在碳纖維形式的發(fā)熱電纜上。在通電之后，碳纖維形式的電纜便開始加熱，此時(shí)，相應(yīng)的加熱指示燈亮起，進(jìn)而為住戶發(fā)出加熱提醒。在此過程中，住戶可以按照自己的實(shí)際需求對(duì)室內(nèi)溫度值進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)可以借助顯示屏對(duì)溫度傳感器中的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量情況進(jìn)行了解。在室內(nèi)溫度加熱到了住戶設(shè)定好的溫度值之后，住戶可借助溫度控制器來降低電地暖運(yùn)行功率，這樣便可讓室內(nèi)的溫度保持恒定[2]。如果住戶感覺室內(nèi)不夠暖，也可以借助溫度控制器提高電地暖運(yùn)行功率，以達(dá)到繼續(xù)加熱的效果，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的合理控制。

通過這種控制方式的合理應(yīng)用，可讓用戶對(duì)室內(nèi)供暖的個(gè)性化需求得到全面滿足，避免集中供暖時(shí)溫度過高或者溫度過低對(duì)用戶體感舒適度的不利影響。同時(shí)，因?yàn)檫@種采暖方式與傳統(tǒng)形式的集中供暖不同，其計(jì)費(fèi)方式也不是統(tǒng)一繳費(fèi)，僅繳納電費(fèi)即可。這樣的方式可以進(jìn)一步增強(qiáng)用戶的節(jié)能意識(shí)，達(dá)到良好的電能節(jié)約效果。

2.2 PID模糊溫度控制器的應(yīng)用

在該智能溫度控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)中，PID模糊溫度控制器的主要工作原理是通過串聯(lián)在碳纖維電地暖上的電能表及發(fā)熱電纜周圍設(shè)置的溫度測(cè)量裝置來進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)定，然后借助信號(hào)轉(zhuǎn)換器將測(cè)定的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過PID模糊溫度控制器對(duì)其進(jìn)行處理。通過這樣的方式，可讓電能得到合理的分配和控制。在具體應(yīng)用中，該智能系統(tǒng)會(huì)對(duì)來自信號(hào)轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱電纜溫度實(shí)時(shí)測(cè)量值和用戶設(shè)定好的溫度值進(jìn)行對(duì)比，這樣便可得到兩者之間的偏差值e，和這個(gè)偏差值隨著時(shí)間推移所產(chǎn)生的變化值ec，將這兩個(gè)值同時(shí)輸入PID溫度模糊控制器中，借助該控制器對(duì)其進(jìn)行模糊處理，再將模糊處理規(guī)則作為依據(jù)，對(duì)PID模糊溫度控制器中的Kp（比例調(diào)節(jié)系數(shù)）、Ki（積分調(diào)節(jié)系數(shù)）、Kd（微分調(diào)節(jié)系數(shù)）進(jìn)行合理調(diào)整，讓不同的偏差e以偏差增值ec更好地滿足PID的不同參數(shù)要求，這樣就可以有效克服碳纖維電地暖中的發(fā)熱電纜電能輸出及發(fā)熱功率方面的偏差。碳纖維電地暖智能溫控與蓄能系統(tǒng)中的PID模糊溫度控制器控制流程示意圖如圖1所示。相較傳統(tǒng)形式的PID控制器，PID模糊溫度控制器實(shí)現(xiàn)了PID溫度控制器與模糊控制算法的良好結(jié)合，它不僅具備了傳統(tǒng)PID控制器中算法的實(shí)用性，同時(shí)具備了模糊控制算法的智能性，可有效克服傳統(tǒng)PID控制器應(yīng)用中的靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能不能同時(shí)計(jì)算的弊端，同時(shí)有效補(bǔ)充了模糊控制單獨(dú)應(yīng)用中的靜態(tài)誤差[3]。因此，通過PID模糊溫度控制器的良好應(yīng)用，可有效實(shí)現(xiàn)碳纖維電地暖系統(tǒng)的耦合性、時(shí)變性及非線性控制。

圖1 PID模糊溫度控制器控制流程示意圖

2.3 Kp、Ki、Kd參數(shù)的模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

（1）在PID模糊溫度控制器的具體應(yīng)用過程中，Kp參數(shù)的大小將會(huì)對(duì)其溫度控制系統(tǒng)本身的響應(yīng)速度起到?jīng)Q定性作用，通常情況下，如果適當(dāng)調(diào)大Kp值，便可讓溫度控制系統(tǒng)更快響應(yīng)；如果調(diào)小Kp值，便可以讓溫度控制系統(tǒng)減緩響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度及溫度控制的及時(shí)性產(chǎn)生直接影響?；诖?，在對(duì)該智能系統(tǒng)進(jìn)行初期設(shè)計(jì)的階段，就需要適當(dāng)調(diào)大Kp值，以讓溫度控制系統(tǒng)具有良好的初始響應(yīng)速度。在該系統(tǒng)的不斷運(yùn)行過程中，則需要將Kp值適當(dāng)調(diào)小，這樣可有效避免因Kp值過大而導(dǎo)致的超調(diào)現(xiàn)象或者穩(wěn)定性降低問題[4]。在對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的后期階段，需要再一次將Kp值加調(diào)，以實(shí)現(xiàn)靜差的有效降低和控制精度的良好保障。

（2）由于非線性及飽和等方面的原因，在通過溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行初期控制的階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)Ki飽和的情況，進(jìn)而在系統(tǒng)中出現(xiàn)很大的超調(diào)量，這與Ki消除穩(wěn)態(tài)偏差的目的十分不符?；诖?，在開始對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的階段，可適當(dāng)調(diào)小Ki值，或者直接將其做調(diào)零處理，這樣便可有效避免Ki飽和對(duì)系統(tǒng)控制的不利影響。但是在中期的系統(tǒng)調(diào)節(jié)階段，則需要適當(dāng)調(diào)大Ki值，并使其在一定程度上保持穩(wěn)定，這樣才可以確保溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后期調(diào)節(jié)的過程中，為了實(shí)現(xiàn)靜差的有效降低，還需要適當(dāng)調(diào)小Ki值。

（3）Kd對(duì)碳纖維電地暖中整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特征具有決定性作用，在發(fā)熱電纜實(shí)際溫度和用戶的溫度設(shè)計(jì)值偏差處于動(dòng)態(tài)變化的情況下，通過合理調(diào)節(jié)Kd值，可及時(shí)反映信號(hào)轉(zhuǎn)換器中傳回的信號(hào)及其變化趨勢(shì)。如果出現(xiàn)了較大的偏差變化，溫度控制系統(tǒng)中的Kd值便會(huì)及時(shí)將一個(gè)相應(yīng)的修正信號(hào)引入溫度控制系統(tǒng)中，以此提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效縮短調(diào)整時(shí)間。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初期調(diào)整的階段中，可適當(dāng)調(diào)大Kd值，這樣可有效避免超調(diào)現(xiàn)象產(chǎn)生[5]；在系統(tǒng)中間調(diào)節(jié)階段，則需要適當(dāng)調(diào)小Kd值，并使其保持固定；在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的后期階段，則需要通過適當(dāng)調(diào)小Kd值來實(shí)現(xiàn)被控過程中制動(dòng)效果的削弱，進(jìn)而為溫度控制系統(tǒng)初期調(diào)節(jié)階段的用時(shí)過長(zhǎng)問題提供有效補(bǔ)償。

3 結(jié)束語

綜上所述，碳纖維電地毯憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、體感舒適度高、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益高等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在當(dāng)今的室內(nèi)供暖中得到了廣泛應(yīng)用。在此類電地暖的應(yīng)用過程中，智能溫控和儲(chǔ)能系統(tǒng)所發(fā)揮的作用至關(guān)重要。通過該系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以讓碳纖維電地暖的加熱溫度得到良好控制。因此，設(shè)計(jì)者和用戶都應(yīng)該加強(qiáng)該智能系統(tǒng)的應(yīng)用研究，通過總體系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、PID溫度模糊控制器的合理應(yīng)用及Kp、Ki和Kd值的良好控制來確保碳纖維電地暖的應(yīng)用效果。