仇國(guó)華，李金賜

（1.2.福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程系，福建福清350300）

外置式自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)的探究

仇國(guó)華1，李金賜2

（1.2.福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程系，福建福清350300）

文章通過分析電熱水器的實(shí)際使用情況，探討和研究一種外置式自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)。擬實(shí)現(xiàn)能夠直接與加熱設(shè)備聯(lián)接；通過記憶其使用規(guī)律，結(jié)合被加熱對(duì)象的溫度、環(huán)境溫度和設(shè)定溫度值等參數(shù)，自動(dòng)選擇合適的提前加熱時(shí)間；并能夠在特殊需要時(shí)實(shí)現(xiàn)緊急加熱響應(yīng)；此外再融入遠(yuǎn)程控制等新技術(shù)手段，全方位地對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行智能化的節(jié)能管理。

外置；保溫；節(jié)能；動(dòng)態(tài)；智能管理

在全球范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)峻的同時(shí)，我國(guó)節(jié)能減排的壓力也正在不斷地增大，對(duì)產(chǎn)品的節(jié)能也提出了更高要求。中國(guó)家用電器協(xié)會(huì)發(fā)布的“十二五”規(guī)劃發(fā)展建議中指出，要通過技術(shù)進(jìn)步，挖掘潛力持續(xù)提高產(chǎn)品能效水平，深入開展家電產(chǎn)品節(jié)能和節(jié)水技術(shù)研究[1]。故而，現(xiàn)在市面上涌現(xiàn)出了很多高能效的環(huán)保產(chǎn)品，本文也正是在這一主題思想的指導(dǎo)下，探討如何對(duì)生活中大量使用的加熱設(shè)備進(jìn)行節(jié)能管理改造，從而提高其能效值，在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能訴求。

1 電熱器具的使用現(xiàn)狀

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，城鎮(zhèn)家庭能源消耗主要集中在暖通以及熱水供應(yīng)這兩部分，這兩方面的能源消耗大約占到整體家庭能源消耗的70%以上。而據(jù)德國(guó)GFK市場(chǎng)研究公司對(duì)熱水器市場(chǎng)的研究報(bào)告顯示，消費(fèi)者對(duì)熱水器節(jié)能性的關(guān)注度高達(dá)89%，僅次于對(duì)安全性能的關(guān)注度[2]。這一點(diǎn)從福建師范大學(xué)福清分校師生對(duì)日常用電的反應(yīng)也得到了驗(yàn)證，無(wú)論學(xué)生還是老師都對(duì)被收取的電費(fèi)居高不下頗有微詞。表1-1是福建師范大學(xué)福清分校某樓層男生6人間宿舍一年來的具體用電量，表格中不包含寒暑假數(shù)據(jù)，另外電量數(shù)據(jù)是每月人工抄錄（現(xiàn)已改為插卡電表），抄錄時(shí)間周期或有些許偏差，但總體上還是能反應(yīng)生活用電的一些規(guī)律。

表1-1 學(xué)生宿舍用電

福建師范大學(xué)福清分校師生所使用的熱水器基本都是儲(chǔ)水式電熱水器，其安全性能相對(duì)較好，能多路供水用于淋浴、洗漱，安裝也較簡(jiǎn)單。從表1－1的數(shù)據(jù)可以看出，在不包含寒暑假的情況下，冬季的使用電量要比春秋季使用的更多，甚至超過一倍以上。從對(duì)應(yīng)該表的電量變化趨勢(shì)圖當(dāng)中看更加一目了然，如圖1-1所示。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生宿舍使用電器基本以電腦和電熱水器為主（電熱炊具禁用），電腦的使用基本為常態(tài)化，因此儲(chǔ)水式電熱水器的使用特性正是導(dǎo)致電費(fèi)偏高，并且冬季宿舍的使用電量還要明顯高于其他季節(jié)的主要原因。

圖1-1 使用電量變化趨勢(shì)圖

從實(shí)際來看，其實(shí)冬季的用水量要比其他季節(jié)還更少一些，但福建師范大學(xué)福清分校地處具有冬冷夏熱明顯氣候特征的華東地區(qū)，由于環(huán)境溫度的差異性，電熱水器的儲(chǔ)水溫度下降得更快，導(dǎo)致在設(shè)定溫度一樣的情況下，冬季熱水器反復(fù)加熱的次數(shù)也就要多一些，自熱而然的冬季使用電量也就要比其他季節(jié)更多一些。保溫狀態(tài)下反復(fù)加熱的耗能特性，必然導(dǎo)致電費(fèi)居高不下，再加上冬夏季節(jié)電費(fèi)呈現(xiàn)出明顯的周期性波動(dòng)，給人們帶來感官上不正常印象也就不足為怪了。

2 電熱器具的使用合理性

2.1 非智能型的合理使用

從目前大量使用的電熱水器來看，主要有機(jī)械控制式和電子控制式兩種類型。機(jī)械控制式溫控器又有液漲式和雙金屬片式兩種，都是通過機(jī)械調(diào)節(jié)動(dòng)、靜觸點(diǎn)間距離來實(shí)現(xiàn)調(diào)溫的，只是兩種方式中的感溫傳感材料不同而已。而電子控制式則是借助熱敏電阻和單片機(jī)構(gòu)成。機(jī)械式控制的電熱設(shè)備操作簡(jiǎn)單，使用較方便，但使用過程中遠(yuǎn)不如電子控制式來得直觀和清晰；并且電子式控制的電熱設(shè)備還具有一定的控制保護(hù)性能，因而在較長(zhǎng)一段時(shí)間里得到大家的認(rèn)可。

但在使用過程中它們耗能的特性是不可避免的，如若選擇保溫工作方式，即水溫要維持在相對(duì)較高的設(shè)定值溫度左右，那么熱水器會(huì)出現(xiàn)反復(fù)加熱的現(xiàn)象，尤其是在較長(zhǎng)時(shí)間不使用熱水的狀態(tài)下，這種反復(fù)加熱所消耗的電能是完全浪費(fèi)的；如若選擇人工控制方式，即在使用熱水之前一段時(shí)間人工開啟加熱，那么反復(fù)加熱的情況是不存在了，但等待加熱的過程給人們的生活帶來極大的不方便。這樣的兩種情況給人們帶來了兩難的麻煩，選擇節(jié)能就享受不到保溫方式帶來的便利，選擇保溫就必須多浪費(fèi)電能。這一點(diǎn)是這兩種熱水器都無(wú)法解決的問題。其實(shí)透過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果是較長(zhǎng)時(shí)間不使用熱水的情況，則應(yīng)該盡可能地選擇節(jié)能型人工控制方式；如果是經(jīng)常使用熱水，那還是選擇保溫型的工作方式，這樣的使用應(yīng)該是相對(duì)比較合理的。

現(xiàn)在，生活中出現(xiàn)了具有半溫保溫功能的電子式控制的電熱水器，應(yīng)該說這是上述兩種情況的折中方案。在不使用熱水時(shí)，選擇設(shè)定溫度值與環(huán)境溫度的中間值來進(jìn)行保溫，使得電熱器具反復(fù)加熱的次數(shù)降低。當(dāng)需要大量使用熱水時(shí)，按下即時(shí)加熱功能鍵，這樣使得等待加熱到設(shè)定值溫度的時(shí)間要遠(yuǎn)短于原先的人工控制方式。這樣的控制方式在一定程度上緩解了節(jié)能與使用方便之間的矛盾。

2.2 智能型的合理使用

針對(duì)電熱水器、飲水機(jī)等此類加熱設(shè)備的使用耗能特征，越來越多的科技成果正被運(yùn)用到它們的制造中，譬如現(xiàn)在的熱水器產(chǎn)品都是科技含量較高的現(xiàn)代化家電產(chǎn)品，最突出的是智能型技術(shù)在電熱器具產(chǎn)品中的大量運(yùn)用，如A.O.史密斯研制的AES自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)等。對(duì)于電熱水器，節(jié)能主要是從三個(gè)途徑入手，一是提高加熱體的熱效率，二是保溫技術(shù)，三是通過技術(shù)手段盡量減少保溫的能耗[2]。雖然大多廠家都投入了大量的技術(shù)力量進(jìn)行新產(chǎn)品的節(jié)能開發(fā)，但都收效甚微。引用中國(guó)家用電器研究院副總工程師張亞晨的一句話：“現(xiàn)如今，逐漸發(fā)現(xiàn)再開發(fā)一款能讓市場(chǎng)驚喜的型號(hào)不那么容易了；再發(fā)明一項(xiàng)能讓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手著急的新創(chuàng)意也不那么容易了?！盵3]可是反過來，我們發(fā)現(xiàn)社會(huì)對(duì)正在使用中的，且不能達(dá)到優(yōu)良節(jié)能效果的電熱設(shè)備關(guān)注度顯然不夠，而這也是一個(gè)覆蓋面很廣的現(xiàn)實(shí)問題。為此，本文研究的系統(tǒng)旨在能對(duì)正使用、或者還將繼續(xù)選用低價(jià)位電熱水器等加熱設(shè)備的用戶，提供一種外置式、可直接對(duì)接的智能節(jié)電管理裝置，從而在一定程度上能夠比較靈活地實(shí)現(xiàn)節(jié)能功效。

前面所分析的半溫保溫功能在節(jié)能方面是具有一定的功效的，但要做到具有真正節(jié)能和方便這個(gè)兩全其美的特性，還得采取更為人性化的控制理念。本文中所提的自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)是指對(duì)加熱設(shè)備的動(dòng)態(tài)化管理，即該管理系統(tǒng)能夠根據(jù)使用者的使用習(xí)慣，在需要使用大量熱水的時(shí)候，提前將保溫水加熱到使用者的設(shè)定溫度值；在僅需要使用少量熱水的時(shí)候，使熱水器處于半溫保溫狀態(tài)；如若出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間沒有使用熱水的情況，那么就自動(dòng)選擇保溫溫度為某最低溫度值使其停止加熱，從而避免了在保溫期間反復(fù)加熱的耗能現(xiàn)象。這樣的一種外置式自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)就是借助其智能化來克服加熱設(shè)備使用過程中的耗能因素，因此這樣的自適應(yīng)性功能顯然要比半溫保溫功能更加合理、更加節(jié)能。

3 電熱器具的自適應(yīng)系統(tǒng)

3.1 自適應(yīng)系統(tǒng)原理

自適應(yīng)性控制是一種適應(yīng)性控制策略，是根據(jù)檢測(cè)到的性能指標(biāo)的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋控制率，以消除這種變化，從而達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)[4]。在本系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)變化是指加熱效率的變化、電源電壓的波動(dòng)等，在具體的設(shè)計(jì)中是否要消除此類影響要取決于具體的應(yīng)用精度要求。而在本文中一開始就提到的自適應(yīng)理念則是廣義的自適應(yīng)控制概念。回顧自動(dòng)控制系統(tǒng)概念，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使被控對(duì)象的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行[5]。那么這里的自適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)該是對(duì)應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的隨動(dòng)系統(tǒng)了。它的參據(jù)量（大量熱水的使用時(shí)間）是預(yù)先未知的任意變化的函數(shù)，通過該節(jié)能裝置的處理后，輸出的被控量，即提前加熱時(shí)間要以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化。

該參量的確定還要與加熱設(shè)備的實(shí)際水溫、設(shè)定溫度值及使用時(shí)間密切相關(guān)。如若使用者兩次使用之間的間隔時(shí)間相對(duì)較短，以至于從保溫溫度開始加熱所需的提前時(shí)間量大于或等于使用的間隔時(shí)間量，那么就必須在前一次使用熱水時(shí)立即開啟加熱過程，從而確保滿足使用者的使用要求。因此從實(shí)際水溫加熱到設(shè)定溫度值的溫差與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，是為線性關(guān)系還是非線性關(guān)系，還需在后續(xù)的設(shè)計(jì)制作中詳細(xì)分析和驗(yàn)證。自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)的示意圖如圖3-1所示。

圖3-1 自適應(yīng)節(jié)能管理系統(tǒng)示意圖

3.2 自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包含測(cè)溫、按鍵和大電流控制電路；軟件系統(tǒng)主要是對(duì)實(shí)際水溫、設(shè)定溫度值和環(huán)境溫度三者的記憶和自適應(yīng)處理，充分利用目前微電子器件的最新成果和更人性化的控制理論來改善電熱水器的性能和能效[6-8]。具體的內(nèi)容將在另一篇《外置式節(jié)能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》中詳細(xì)闡述，并且還將針對(duì)使用自適應(yīng)系統(tǒng)與不使用自適應(yīng)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行對(duì)比分析。

本設(shè)計(jì)中軟件部分是核心，自適應(yīng)控制中尤其需要注意的是，跟隨使用者的使用習(xí)慣而改變的提前加熱時(shí)間值，只能在下一個(gè)周期（如一周時(shí)間）中來響應(yīng)，而下一周的使用習(xí)慣又將在再下一周的使用過程中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，就是數(shù)據(jù)記錄滿周期后將替換原先的自適應(yīng)數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間（可調(diào)）不使用熱水，系統(tǒng)應(yīng)該將本周期的使用習(xí)慣記錄忽略而不予更新，并且應(yīng)該能夠自適應(yīng)地選擇不再加熱，直至喚醒重新開啟工作。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)在智能化技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，以及節(jié)能減排思想的不斷加強(qiáng)，最近幾年，眾多廠商對(duì)熱水器等這一類加熱設(shè)備的節(jié)能設(shè)計(jì)思想已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。一方面對(duì)原來電熱水器不夠節(jié)能的地方更新設(shè)計(jì)，如變?nèi)菟贌?、AES自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)等技術(shù)；另一方面積極投入使用新的原理，如我國(guó)熱水器的節(jié)能技術(shù)的五個(gè)方面：一是燃?xì)饫淠夹g(shù)，二是余熱回收技術(shù)，三是空氣源熱泵技術(shù)，四是太陽(yáng)能技術(shù)，五是家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，而對(duì)原有產(chǎn)品的節(jié)能技術(shù)支持甚少涉及[2]。由于從普通電子類控制加熱設(shè)備過渡到智能化的現(xiàn)代家用產(chǎn)品，還有一段較長(zhǎng)的時(shí)間。通過對(duì)家用電器的原理不斷深入理解[9-10]，雖然是直接將電能轉(zhuǎn)換為熱能，效率相對(duì)來說較高，但由于熱量散失嚴(yán)重，重復(fù)加熱現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，由此導(dǎo)致的能量浪費(fèi)也就顯得較為嚴(yán)重。于是便產(chǎn)生了對(duì)原有的加熱設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，本文研究這種外置式可直接對(duì)接的智能裝置，將節(jié)能減排的技術(shù)及時(shí)應(yīng)用到生活中來。而在設(shè)計(jì)中，雖然有些技術(shù)可以借鑒，但由于應(yīng)用方式的不同，一些參數(shù)的獲取就存在著較大的差異[11]。這些都需要在后期設(shè)計(jì)和制作中進(jìn)行深入細(xì)致的研究，將參數(shù)的偏差值控制在很小范圍之內(nèi)，這樣才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的研究目標(biāo)，才能在能效評(píng)價(jià)體系中具有絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力[12]。

[1]法沛.熱水器行業(yè)面臨節(jié)能技術(shù)的重大變革[J].中華工商時(shí)報(bào)，2011(3).

[2]宋佳楠.節(jié)能熱水器引領(lǐng)家電低碳新革命[J].家電科技，2011(4).

[3]張亞晨.電熱水器的創(chuàng)新之路在何方[J].家電科技，2012(12).

[4]韓正之，陳彭年，陳樹中.自適應(yīng)控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011:1-6.

[5]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013:1-13.

[6]葛豐亮，杜鑫.電熱水器控制電路的設(shè)計(jì)[J].家電科技，2013(8).

[7]潘彩霞.基于AVR單片機(jī)的家用電熱水器智能溫度控制器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化：學(xué)術(shù)版，2012(10).

[8]翟敏煥.基于單片機(jī)的即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2012(11).

[9]肖祖銘.家用電器原理與維修[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[10]蔣治國(guó).現(xiàn)代家電原理與維修[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[11]陳卿,侯薇.家電控制與檢測(cè)用集成電路[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005:8.

[12]GB21519-2008.儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級(jí).2008.

Analysis of an External Self-adapting Energy-saving M anagement System

Qiu Guohua1，Li jinci2
（1.2.Department of Electronic and Information Engineering,Fuqing Campus of Fujian Normal University,Fuqing 350300,China）

This paper,by analyzing the actual usages of electrical water heaters,researches and explores an external selfadapting energy-saving monitoring system,which is designed to directly connected with a heating equipment and to be able to automatically choose a pre-heating time span by memorizing the usage pattern of the said equipment and taking into account the parameters in terms of temperatures of the heated substances,surroundings and pre-set temperatures,etc.Also,it is to be ablemake emergency response.Meanwhile,by being integrated with such technology as remote control,it will be able to execute 24-hour intelligent energy-savingmanagementof heating equipments.

external;heat reservation;dynamic;intelligentmanagement

TM571.6

A

1673-8535（2013）06-0014-05

仇國(guó)華（1976-），男，江蘇南通人，福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程系講師，碩士，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化及電子信息技術(shù)。

李金賜（1965-），男，福建莆田人，福建師范大學(xué)福清分校電子與信息工程系副教授，碩士，研究方向：電子信息技術(shù)。

（責(zé)任編輯：覃華巧）

2013-09-18

福建省教育廳B類項(xiàng)目（JB11258）