外置式自適應節能管理系統的探究

仇國華，李金賜

（1.2.福建師范大學福清分校電子與信息工程系，福建福清350300）

外置式自適應節能管理系統的探究

仇國華1，李金賜2

（1.2.福建師范大學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際使用情況，探討和研究一種外置式自適應節能管理系統。擬實現能夠直接與加熱設備聯接；通過記憶其使用規律，結合被加熱對象的溫度、環境溫度和設定溫度值等參數，自動選擇合適的提前加熱時間；并能夠在特殊需要時實現緊急加熱響應；此外再融入遠程控制等新技術手段，全方位地對加熱設備進行智能化的節能管理。

外置；保溫；節能；動態；智能管理

在全球范圍內能源危機和環境保護問題日益嚴峻的同時，我國節能減排的壓力也正在不斷地增大，對產品的節能也提出了更高要求。中國家用電器協會發布的“十二五”規劃發展建議中指出，要通過技術進步，挖掘潛力持續提高產品能效水平，深入開展家電產品節能和節水技術研究[1]。故而，現在市面上涌現出了很多高能效的環保產品，本文也正是在這一主題思想的指導下，探討如何對生活中大量使用的加熱設備進行節能管理改造，從而提高其能效值，在一定程度上實現節能訴求。

1 電熱器具的使用現狀

據相關數據統計，城鎮家庭能源消耗主要集中在暖通以及熱水供應這兩部分，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。而據德國GFK市場研究公司對熱水器市場的研究報告顯示，消費者對熱水器節能性的關注度高達89%，僅次于對安全性能的關注度[2]。這一點從福建師范大學福清分校師生對日常用電的反應也得到了驗證，無論學生還是老師都對被收取的電費居高不下頗有微詞。表1-1是福建師范大學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據，另外電量數據是每月人工抄錄（現已改為插卡電表），抄錄時間周期或有些許偏差，但總體上還是能反應生活用電的一些規律。

表1-1 學生宿舍用電

福建師范大學福清分校師生所使用的熱水器基本都是儲水式電熱水器，其安全性能相對較好，能多路供水用于淋浴、洗漱，安裝也較簡單。從表1－1的數據可以看出，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。從對應該表的電量變化趨勢圖當中看更加一目了然，如圖1-1所示。經調查發現學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化，因此儲水式電熱水器的使用特性正是導致電費偏高，并且冬季宿舍的使用電量還要明顯高于其他季節的主要原因。

圖1-1 使用電量變化趨勢圖

從實際來看，其實冬季的用水量要比其他季節還更少一些，但福建師范大學福清分校地處具有冬冷夏熱明顯氣候特征的華東地區，由于環境溫度的差異性，電熱水器的儲水溫度下降得更快，導致在設定溫度一樣的情況下，冬季熱水器反復加熱的次數也就要多一些，自熱而然的冬季使用電量也就要比其他季節更多一些。保溫狀態下反復加熱的耗能特性，必然導致電費居高不下，再加上冬夏季節電費呈現出明顯的周期性波動，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，主要有機械控制式和電子控制式兩種類型。機械控制式溫控器又有液漲式和雙金屬片式兩種，都是通過機械調節動、靜觸點間距離來實現調溫的，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構成。機械式控制的電熱設備操作簡單，使用較方便，但使用過程中遠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備還具有一定的控制保護性能，因而在較長一段時間里得到大家的認可。

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較高的設定值溫度左右，那么熱水器會出現反復加熱的現象，尤其是在較長時間不使用熱水的狀態下，這種反復加熱所消耗的電能是完全浪費的；如若選擇人工控制方式，即在使用熱水之前一段時間人工開啟加熱，那么反復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電能。這一點是這兩種熱水器都無法解決的問題。其實透過以上的分析可以發現，如果是較長時間不使用熱水的情況，則應該盡可能地選擇節能型人工控制方式；如果是經常使用熱水，那還是選擇保溫型的工作方式，這樣的使用應該是相對比較合理的。

現在，生活中出現了具有半溫保溫功能的電子式控制的電熱水器，應該說這是上述兩種情況的折中方案。在不使用熱水時，選擇設定溫度值與環境溫度的中間值來進行保溫，使得電熱器具反復加熱的次數降低。當需要大量使用熱水時，按下即時加熱功能鍵，這樣使得等待加熱到設定值溫度的時間要遠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能與使用方便之間的矛盾。

2.2 智能型的合理使用

針對電熱水器、飲水機等此類加熱設備的使用耗能特征，越來越多的科技成果正被運用到它們的制造中，譬如現在的熱水器產品都是科技含量較高的現代化家電產品，最突出的是智能型技術在電熱器具產品中的大量運用，如A.O.史密斯研制的AES自適應節能系統等。對于電熱水器，節能主要是從三個途徑入手，一是提高加熱體的熱效率，二是保溫技術，三是通過技術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力量進行新產品的節能開發，但都收效甚微。引用中國家用電器研究院副總工程師張亞晨的一句話：“現如今，逐漸發現再開發一款能讓市場驚喜的型號不那么容易了；再發明一項能讓競爭對手著急的新創意也不那么容易了?！盵3]可是反過來，我們發現社會對正在使用中的，且不能達到優良節能效果的電熱設備關注度顯然不夠，而這也是一個覆蓋面很廣的現實問題。為此，本文研究的系統旨在能對正使用、或者還將繼續選用低價位電熱水器等加熱設備的用戶，提供一種外置式、可直接對接的智能節電管理裝置，從而在一定程度上能夠比較靈活地實現節能功效。

前面所分析的半溫保溫功能在節能方面是具有一定的功效的，但要做到具有真正節能和方便這個兩全其美的特性，還得采取更為人性化的控制理念。本文中所提的自適應節能管理系統是指對加熱設備的動態化管理，即該管理系統能夠根據使用者的使用習慣，在需要使用大量熱水的時候，提前將保溫水加熱到使用者的設定溫度值；在僅需要使用少量熱水的時候，使熱水器處于半溫保溫狀態；如若出現較長時間沒有使用熱水的情況，那么就自動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加熱的耗能現象。這樣的一種外置式自適應節能管理系統就是借助其智能化來克服加熱設備使用過程中的耗能因素，因此這樣的自適應性功能顯然要比半溫保溫功能更加合理、更加節能。

3 電熱器具的自適應系統

3.1 自適應系統原理

自適應性控制是一種適應性控制策略，是根據檢測到的性能指標的變化，產生相應的反饋控制率，以消除這種變化，從而達到預定的控制目標[4]。在本系統中相對應的性能指標變化是指加熱效率的變化、電源電壓的波動等，在具體的設計中是否要消除此類影響要取決于具體的應用精度要求。而在本文中一開始就提到的自適應理念則是廣義的自適應控制概念。回顧自動控制系統概念，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使被控對象的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行[5]。那么這里的自適應系統應該是對應自動控制系統中的隨動系統了。它的參據量（大量熱水的使用時間）是預先未知的任意變化的函數，通過該節能裝置的處理后，輸出的被控量，即提前加熱時間要以盡可能小的誤差跟隨參據量的變化。

該參量的確定還要與加熱設備的實際水溫、設定溫度值及使用時間密切相關。如若使用者兩次使用之間的間隔時間相對較短，以至于從保溫溫度開始加熱所需的提前時間量大于或等于使用的間隔時間量，那么就必須在前一次使用熱水時立即開啟加熱過程，從而確保滿足使用者的使用要求。因此從實際水溫加熱到設定溫度值的溫差與時間之間的函數關系，是為線性關系還是非線性關系，還需在后續的設計制作中詳細分析和驗證。自適應節能管理系統的示意圖如圖3-1所示。

圖3-1 自適應節能管理系統示意圖

3.2 自適應系統設計

本系統的硬件系統主要包含測溫、按鍵和大電流控制電路；軟件系統主要是對實際水溫、設定溫度值和環境溫度三者的記憶和自適應處理，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]。具體的內容將在另一篇《外置式節能管理系統的設計》中詳細闡述，并且還將針對使用自適應系統與不使用自適應系統的能耗進行對比分析。

本設計中軟件部分是核心，自適應控制中尤其需要注意的是，跟隨使用者的使用習慣而改變的提前加熱時間值，只能在下一個周期（如一周時間）中來響應，而下一周的使用習慣又將在再下一周的使用過程中實現自適應控制，就是數據記錄滿周期后將替換原先的自適應數據。如果出現較長時間（可調）不使用熱水，系統應該將本周期的使用習慣記錄忽略而不予更新，并且應該能夠自適應地選擇不再加熱，直至喚醒重新開啟工作。

4 結語

隨著現在智能化技術的發展越來越成熟，以及節能減排思想的不斷加強，最近幾年，眾多廠商對熱水器等這一類加熱設備的節能設計思想已經達成共識。一方面對原來電熱水器不夠節能的地方更新設計，如變容速熱、AES自適應節能系統等技術；另一方面積極投入使用新的原理，如我國熱水器的節能技術的五個方面：一是燃氣冷凝技術，二是余熱回收技術，三是空氣源熱泵技術，四是太陽能技術，五是家用熱電聯產裝置，而對原有產品的節能技術支持甚少涉及[2]。由于從普通電子類控制加熱設備過渡到智能化的現代家用產品，還有一段較長的時間。通過對家用電器的原理不斷深入理解[9-10]，雖然是直接將電能轉換為熱能，效率相對來說較高，但由于熱量散失嚴重，重復加熱現象經常發生，由此導致的能量浪費也就顯得較為嚴重。于是便產生了對原有的加熱設備進行改進，本文研究這種外置式可直接對接的智能裝置，將節能減排的技術及時應用到生活中來。而在設計中，雖然有些技術可以借鑒，但由于應用方式的不同，一些參數的獲取就存在著較大的差異[11]。這些都需要在后期設計和制作中進行深入細致的研究，將參數的偏差值控制在很小范圍之內，這樣才能實現預期的研究目標，才能在能效評價體系中具有絕對的競爭力[12]。

[1]法沛.熱水器行業面臨節能技術的重大變革[J].中華工商時報，2011(3).

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

[3]張亞晨.電熱水器的創新之路在何方[J].家電科技，2012(12).

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

[5]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業出版社，2013:1-13.

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

[7]潘彩霞.基于AVR單片機的家用電熱水器智能溫度控制器設計[J].中國制造業信息化：學術版，2012(10).

[8]翟敏煥.基于單片機的即熱式電熱水器控制系統的設計[J].現代計算機，2012(11).

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

[10]蔣治國.現代家電原理與維修[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[11]陳卿,侯薇.家電控制與檢測用集成電路[M].北京：中國計量出版社，2005:8.

[12]GB21519-2008.儲水式電熱水器能效限定值及能效等級.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

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

李金賜（1965-），男，福建莆田人，福建師范大學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。

（責任編輯：覃華巧）

2013-09-18

福建省教育廳B類項目（JB11258）