于瀚森

（山東科技大學，山東 泰安 271000）

碳纖維電地暖中的發(fā)熱電纜相較于合金、金屬類的發(fā)熱電纜，能夠節(jié)能20%以上并且電磁輻射非常小，不僅性能優(yōu)良、對人體損害小還能滿足節(jié)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(fā)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(fā)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(xù)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(jié)能大綱中所推薦的節(jié)能材料，是一種集環(huán)保、節(jié)能、安全等優(yōu)點于一體的加熱材料。相較于金屬發(fā)熱電纜，碳纖維發(fā)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(jié)能環(huán)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(fā)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(jié)能意識，對于物業(yè)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(fā)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(fā)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(guī)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(fā)熱電纜的發(fā)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(tài)和靜態(tài)性能的缺點，又彌補了單純模糊控制不能消除靜態(tài)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(guī)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(wěn)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(wěn)態(tài)偏差的目的。因此在系統調節(jié)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(jié)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(wěn)定性。同樣系統調節(jié)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(tài)穩(wěn)定特性有著決定性作用，在住戶設定的溫度值和發(fā)熱電纜實時溫度值之間的偏差動態(tài)變化過程中，溫度控制系統的微分環(huán)節(jié)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(fā)生較大的變化時，溫度控制系統的微分環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的功能，防止超調。在溫度控制系統調節(jié)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(jié)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(fā)熱電纜的實際發(fā)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(jié)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(yōu)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(jié)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(jié)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(yè)管理人員收取供暖費用的方式，大大減少了物業(yè)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(fā)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(yōu)勢完全可以作為樓房的賣點。